Brevet FR3065575A1 — publié le 20181026

FABRICATION D'UN DISPOSITIF A PLAQUES CONDUCTRICES Se rapporte à un procédé de fabrication d'un circuit multicouches de distribution 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 inférieur. Il peut y avoir une plaque pour la mise à la terre.Ces plaques sont planes. 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 multicouches, 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. 3065575 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 conducteur 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 /ou 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. 3065575 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 systèmes 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. Ceci est réalisé par déformation localisé 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. A cet effet, l'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un circuit 25 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 3065575 4 empile, ces dites plaques conductrices présentant des zones de contact destinées à établir une connexion avec un composant et des zones de densité de courant plus importante ce procédé étant caractérisé en ce qu'on détermine les zones où la densité de courant est la plus importante et au niveau des dites zones de densité 5 de courant plus importante, on projette dynamiquement, à vitesse supersonique par un gaz sous pression au travers d'une tuyère convergente divergente, une poudre conductrice qui s'incruste dans la plaque créant ainsi une surcouche conductrice électrique sur les dites zones, créant localement une augmentation de la section de passage réduisant la résistance électrique de la zone traitée. 10 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 : FIG 1 Vue de coupe transversale d'un circuit multicouche avant assemblage. FIG 2 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 15 aluminium. En se reportant au dessin FIG 1 on voit un circuit (1) multicouches de distribution en cours d'assemblage. Ici, il s'agit d'un circuit monophasé. Il comprend une première plaque (2) 20 conductrice, dessous la dite plaque conductrice, une feuille (3) isolante et dessous cette feuille isolante une autre plaque (2) conductrice. Cet ensemble peut être isolé électriquement entre deux couches isolantes (3A) appliquées sur le dessus et le dessous dudit ensemble. La plaque conductrice peut être en cuivre mais plus probablement en aluminium 25 afin de réduire les coûts. 5 3065575 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 5 fixer la seconde patte sur une autre plaque conductrice, des lumières (4) sont découpées dans les différentes plaques conductrices et des lumières (4a) dans des feuilles isolantes. Il est donc prévu sur ces plaques des zones (5) dit de contact où s'établira la connexion électrique d'un composant. 10 De préférence, ce composant est fixé mécaniquement sur la plaque conductrice 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 multicouches de connexion comprenant la fabrication d'une succession de plaques conductrices présentant chacune au moins une zone (5) de 15 contact, la mise en place d'une couche isolante électriquement entre 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, on traite par projection dynamique de poudre, à vitesse supersonique par gaz sous pression, les zones de la plaque conductrice à forte 20 densité de courant, créant localement une augmentation de la section de passage en déposant de la matière conductrice et /ou par apport d'un matériau plus conducteur que celui constituant la plaque conductrice, en réduisant de fait la résistance électrique. Selon que le matériau est plus ou moins résistant électriquement par rapport au 25 matériau constituant les plaques conductrices, l'apport de matière va diminuer la résistance électrique à la fois par l'augmentation de la section de passage et la nature du matériau projeté si la poudre utilisée est moins résistive que la plaque. 3065575 6 On aura déterminé auparavant, par essai, calcul ou simulation, les zones à traiter.L'épaisseur du matériau projetée peut être importante et constituer également un rattrapage d'épaisseur ; voire même de constituer localement des plots de connexions avec des surfaces de contacts alignées sur un même plan.On 5 réalise des rattrapages de niveau des zones 5 de contact par dépôt localisé d'un volume de poudre conductrice par le procédé de projection dynamique à vitesse supersonique par gaz sous pression.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 10 protéger les zones découvertes que sont les zones (5) de contacts. Selon l'invention, localement au niveau des zones (5) de contacts, on réalise un revêtement conducteur électrique local (6) par le procédé de projection dynamique de poudre conductrice, à vitesse supersonique par gaz sous pression ; le revêtement ayant une épaisseur par exemple de 100 microns. Ceci permet 15 d'avoir un contact avec ce revêtement avec des caractéristiques propres à la nature du matériau projeté et non plus du conducteur. 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 comme gaz servant à la propulsion de la poudre. Ce gaz est 20 comprimé jusqu'à plusieurs MPa et chauffé (selon la nature de la poudre et le substrat). Le gaz est accéléré ensuite par passage dans une tuyère convergente divergente dite de Laval pour être éjecté à une vitesse supersonique (autour de 500-1200 m/s). La poudre conductrice est introduite dans l'axe ou perpendiculairement dans une chambre de 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 s'agglomérer afin de constituer ainsi un revêtement dense, cohérent et très bon conducteur électrique. 306 5 5 75 7 Par opposition à d'autres procédés de revêtement par procédé de projection thermique (flamme, plasma, arc électrique, . . .) qui sont caractérisés par la projection de matière fondue, le procédé de projection dynamique de poudre, à vitesse supersonique par gaz sous pression au travers d'une tuyère convergente 5 divergente, affecte moins le support, et les poudres introduites et projetées subissent une élévation de températures inférieures à leurs points de fusion. Ce revêtement protecteur pourra être d'une épaisseur comprise entre par exemple une centaine de microns et plusieurs millimètres pour obtenir une isolation. Cette technique permet de cibler les apports de matières et donc de réduire le coût 10 des produits obtenus. Typiquement la poudre projetée sera à base de cuivre, sur un support en 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 15 protégées de l'air par le film ou la feuille isolante électriquement, cette feuille ayant alors une deuxième fonction d'étanchéité à l'air. 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. 20 Les conditions de projection et la nature de la poudre utilisée permettent d'obtenir une rugosité différente - le plus souvent supérieure - du revêtement que celle du substrat ; en particulier quand ce dernier est par exemple, une tôle laminée. Et de manière générale, un revêtement obtenu par projection dynamique de poudre, à grande vitesse par gaz sous pression, d'une épaisseur plutôt fine (10-50 microns) 25 permet déjà d'obtenir une rugosité différente. 3065575 8 Avantageusement on peut ainsi par projection dynamique, à vitesse supersonique par gaz sous pression, traiter en débordant de la zone (5) sur les zones (7) (périphériques donc de cette zone (5)) pour former une couche (8) plus rugueuse que le substrat d'origine. Ceci a l'avantage d'augmenter l'adhérence 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 s'établissent lorsque la feuille adhésive se décolle au niveau de ces bords libres. 10 Avantageusement, on peut aussi traiter des zones (10) périphériques de plaque conductrice afin de renforcer l'adhérence du film isolant sur ces zones et éviter d'éventuels décollements de ce film. Les conditions de projection seront différentes et le revêtement est plus mince que celui constitué sur une zone de contact. 15 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 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 20 revêtement 14 par rapport à celui du substrat 12. Ainsi au niveau des zones (5) de contacts, on projette dynamiquement à vitesse supersonique par gaz sous pression, une poudre métallique éventuellement de nature différente de celle de la plaque conductrice en vue de constituer un revêtement local isolant à l'air, la dite poudre venant s'incruster du fait de la 25 vitesse, dans l'épaisseur du conducteur au niveau de cette zone de contact, et constituer une couche (6) conductrice et protectrice vis-à-vis de l'atmosphère ambiant REVENDICATIONS1 Procédé de fabrication d'un circuit multicouches 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 (3) isolante 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 zones de densité de courant plus importante ; ce procédé étant caractérisé en ce qu'on détermine les zones (9) où la densité de courant est la plus importante ; et au niveau des dites zones (9) de densité de courant plus importante on projette dynamiquement à vitesse supersonique et par gaz sous pression au travers d'une tuyère convergente divergente une poudre conductrice électriquement dont les particules de ladite poudre vont se déformer plastiquement, s'incruster et s'agglomérer sur la surface et former une surcouche réduisant localement la résistance électrique de la zone traitée par augmentation de la section de passage et/ou par apport d'un matériau plus conducteur que celui constituant la plaque conductrice. 2 Procédé de fabrication d'un circuit multicouches de distribution de courant électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce que on réalise des rattrapages de niveau des zones (5) de contacts par dépôt localisé d'un volume de poudre conductrice par le procédé de projection dynamique à vitesse supersonique par gaz sous pression. 3 Procédé de fabrication d'un circuit multicouches de distribution de courant électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'au 3065575 10 niveau des zones (5) de contacts, on projette dynamiquement à vitesse supersonique par gaz sous pression, une poudre métallique éventuellement de nature différente de celle de la plaque conductrice en vue de constituer un revêtement local isolant à l'air, la dite poudre 5 venant s'incruster du fait de la vitesse, dans l'épaisseur du conducteur au niveau de cette zone de contact, et constituer une couche (6) conductrice et protectrice vis-à-vis de l'atmosphère ambiant 4 Procédé de fabrication d'un circuit multicouches de distribution de - 10 courant électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce que on traite par projection dynamique à vitesse supersonique par gaz sous pression une zone (7) en périphérie de chaque zone de contact (5) pour constituer une fine couche (8) d'épaisseur comprise entre 10 et 50 microns, plus rugueuse en vue de renforcer l'adhésion d'un revêtement isolant ajouté 15 ultérieurement. 5 Procédé de fabrication d'un circuit multicouches 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 20 conductrice, une zone périphérique de la plaque, en créant une fine couche (10) d'épaisseur comprise entre 10 et 50 microns, plus rugueuse en vue de renforcer l'adhésion d'un revêtement isolant ajouté ultérieurement. 25 6 Circuit multicouches de distribution électrique comprenant des plaques entre lesquelles sont disposée une feuille isolante électriquement, ce circuit multicouches présentant des zones (5) de contacts pour notamment des composants caractérisé en ce qu'il est obtenu selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.