Brevet FR3082660A1 — publié le 20191220

ÉLÉMENT MODULAIRE DE COMMUTATION DE PUISSANCE ET ENSEMBLE DÉMONTABLE DE PLUSIEURS ÉLÉMENTS MODULAIRES [1] L'invention concerne de manière générale le domaine de l'électronique de puissance. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à des éléments modulaires de 5 commutation de puissance et à des ensembles démontables de tels éléments modulaires. [2] Les modules de commutation de puissance forment les briques de base nécessaires à la construction des dispositifs électroniques de puissance. Ces modules de commutation de puissance peuvent être associés pour former des ponts de commutation ou associés en parallèle pour passer le courant voulu. Les branches de pont de 10 commutation composés de deux interrupteurs électroniques de puissance sont des modules de puissance élémentaires très largement répandus pour la réalisation de dispositifs électroniques de puissance tels que des onduleurs et convertisseurs de puissance. [3] Les besoins actuels poussent vers une recherche de davantage de modularité notamment pour permettre la réalisation de différents circuits, du plus simple au plus 15 complexe, à partir de la même brique modulaire, accroître la standardisation et réduire les coûts. Par ailleurs, une modularité plus poussée permet de réduire la valeur du rebus de fabrication, compte-tenu de la possibilité de tester la fonctionnalité au niveau des briques élémentaires. [4] La compacité des modules de commutation de puissance est une caractéristique 20 essentielle, non seulement pour la réduction des coûts matières, mais aussi pour atteindre les meilleurs compromis de conception. En effet, la compacité est favorable notamment à la réduction des éléments parasites résistas et inductifs. La réduction des inductances parasites, notamment dans les bus barres de puissance, est importante pour protéger les circuits contre des surtensions potentiellement destructrices, améliorer la maîtrise des 25 rayonnements électromagnétiques, réduire la chaleur générée et augmenter la vitesse de commutation. [5] La compacité des architectures est aussi requise pour une utilisation judicieuse de nouveaux semi-conducteurs de puissance, comme aujourd'hui le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) et, prochainement, le diamant. En effet, les densités de 30 puissance et les fréquences de commutation plus élevées apportées par les nouveaux semiconducteurs de puissance poussent à davantage de compacité. 2 [6] Les architectures 3D présentent un intérêt certain pour accroître la compacité des modules et des dispositifs électroniques de puissance. Cependant, les contraintes de refroidissement sont critiques dans ces architectures et des solutions efficientes doivent y être implémentées. Une extraction de l'énergie dissipée au plus près des puces de puissance est nécessaire afin de maintenir les températures des composants en dessous de valeurs critiques et garantir l'équilibre thermique. Un refroidissement double face des puces de puissance est souhaitable. Des dispositifs de refroidissement performants par liquide caloporteur et/ou faisant appel à des caloducs peuvent être requis. [7] Les architectures qui facilitent la réalisation des dispositifs du type dits « SiP » (pour « System in Package » en anglais) sont intéressantes pour le bénéfice qu'elles apportent en termes de niveau d'intégration et de compacité. Une architecture de module de commutation de puissance qui autorise de la flexibilité dans la localisation spatiale des électrodes est intéressante pour la réalisation des dispositifs « SiP ». [8] La démontabilité des architectures, jusqu'à la brique la plus élémentaire possible, est un atout appréciable pour la réparabilité. La technologie dite "press-pack", dans laquelle les contacts électriques sont assurés à l'aide de moyens mécaniques de pression ou serrage, permet de réaliser des briques élémentaires testables et remplaçables, tout en apportant une amélioration de la fiabilité dans les applications à cyclages thermiques sévères, par l'élimination des soudures. [009] II apparaît aujourd'hui souhaitable de proposer un module de commutation de puissance ayant une architecture nouvelle de brique élémentaire de commutation, adapté pour des ensembles démontables de type parallèle et/ou empilé, les nouveaux semiconducteurs de puissance SiC et GaN, notamment les transistors GaN à structure latérale, ainsi que les technologies 3D et « press-pack », et une production de masse économique basée sur les technologies de fabrication de circuit imprimé. [0010] Selon un premier aspect, l'invention concerne un élément modulaire de commutation de puissance comprenant des premier et deuxième blocs stratifiés assemblés selon une configuration antisymétrique relativement à un plan de jonction, chacun des premier et deuxième blocs stratifiés comprenant une puce électronique de commutation de puissance implantée dans une stratification entre une plaque composite externe et une plaque composite interne séparées par une couche diélectrique intermédiaire, les plaques composites externe et interne ayant chacune des bus de conduction électrique, chaque puce électronique de commutation de puissance ayant une face comprenant des première et deuxième électrodes de puissance et une électrode de commande de commutation, et 3 les première et deuxième électrodes de puissance étant reliées électriquement à des premier et deuxième bus internes de conduction électrique respectifs de la plaque composite interne. Conformément à l'invention, une pluralité d'orifices comprenant chacun une couche interne électriquement conductrice se prolongent dans les premier et second 5 blocs stratifiés depuis des faces extérieures de leurs plaques composites externes, la pluralité d'orifices comprenant au moins des premier et deuxième orifices communiquant chacun avec une électrode de commande de commutation respective des puces électroniques de commutation de puissance et au moins des première, deuxième et troisième pluralités d'orifices traversant totalement les premier et deuxième blocs stratifiés, 10 interconnectant électriquement des bus de conduction électrique des premier et deuxième blocs stratifiés et ayant un pas d'écartement fixe entre les orifices. [0011] Selon une forme de réalisation présentant un intérêt particulier, les puces électroniques de commutation de puissance sont des puces de transistor de type latéral. [0012] Selon une caractéristique particulière, la première pluralité d'orifices 15 interconnectent électriquement le premier bus interne de conduction électrique de la plaque composite interne du premier bloc stratifié à des premiers bus externes de conduction électrique des plaques composites externes des premier et deuxième blocs stratifiés. [0013] Selon une autre caractéristique particulière, la deuxième pluralité d'orifices interconnectent électriquement le deuxième bus interne de conduction électrique de la 20 plaque composite interne du deuxième bloc stratifié à des deuxièmes bus externes de conduction électrique des plaques composites externes des premier et deuxième blocs stratifiés. [0014] Selon encore une autre caractéristique particulière, la troisième pluralité d'orifices interconnectent électriquement le deuxième bus interne de conduction électrique et le 25 premier bus interne de conduction électrique des plaques composites internes des premier et deuxième blocs stratifiés. [0015] Selon encore une autre caractéristique particulière, la pluralité d'orifices comprend également des troisième et quatrième orifices qui se prolongent dans les premier et second blocs stratifiés depuis des faces extérieures de leurs plaques composites externes, les 30 troisième et quatrième orifices étant reliés respectivement par des pistes électriquement conductrices aux premier et deuxième orifices communiquant avec les électrodes de commande de commutation des puces électroniques de commutation de puissance. 4 [0016] Selon un autre aspect, l'invention concerne également un ensemble démontable de commutation de puissance comprenant au moins deux éléments modulaires de commutation de puissance tels que décrits brièvement ci-dessus, et une pluralité de broches d'assemblage électriquement conductrices, dans lequel les broches d'assemblage 5 électriquement conductrices sont insérées dans les orifices des éléments modulaires de commutation de puissance et assurent des fonctions d'assemblage mécanique et de liaison électrique entre les éléments modulaires de commutation de puissance. [0017] Selon une caractéristique particulière, l'ensemble démontable de commutation de puissance comprend un canal de circulation de fluide formé par un écartement entre les 10 éléments modulaires de commutation de puissance, ledit écartement étant obtenu au moyen des broches d'assemblage électriquement conductrices. [0018] Selon une autre caractéristique particulière, l'ensemble démontable de commutation de puissance comprend également au moins un élément d'assemblage et d'interconnexion interposé entre les éléments modulaires de commutation de puissance, 15 l'élément d'assemblage et d'interconnexion comportant au moins une barre électriquement conductrice dans laquelle sont aménagés une pluralité d'orifices traversants, les orifices traversants étant répartis avec le pas d'écartement fixe et recevant des broches conductrices d'assemblage. [0019] Selon encore une autre caractéristique particulière, l'élément d'assemblage et 20 d'interconnexion comporte au moins deux barres électriquement conductrices, les barres électriquement conductrices étant disposées avec un écartement déterminé entre elles de façon à former un canal de circulation de fluide. [0020] D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous de plusieurs formes de 25 réalisation particulières de l'invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la Fig.1 est une vue en perspective montrant l'architecture d'un module de commutation de puissance selon la technique antérieure ; la Fig.2 est une vue simplifiée en coupe montrant un ensemble démontable de deux éléments modulaires de commutation de puissance selon l'invention, dans une forme de 30 réalisation particulière ; la Fig.3 est un schéma électrique simplifié des éléments modulaires de commutation de puissance de la Fig.2 ; 5 la Fig.4 montre en vue de dessus et en coupe des électrodes de drain, de source et de grille présentes sur une même face dans une puce de transistor de type latéral ; les Figs.5A à 5F sont des vues de dessus simplifiées montrant différentes plaques composites stratifiées comprises dans l'élément modulaire de commutation de puissance 5 de la Fig.2 ; la Fig.6 est une vue en coupe partielle montrant la connexion à une électrode de grille de la puce de transistor au moyen d'orifices comportant une couche conductrice, à partir des faces haute et basse de l'élément modulaire de commutation de puissance de la Fig.2 ; 10 la Fig.7 est une vue simplifiée en coupe montrant une première forme de réalisation d'un élément d'assemblage et d'interconnexion utilisable pour la réalisation d'ensembles démontables de commutation de puissance selon l'invention ; la Fig.8 est une vue simplifiée en coupe montrant un autre exemple de réalisation d'un ensemble démontable de commutation de puissance selon l'invention, comprenant des 15 éléments d'assemblage et d'interconnexion comme montrés à la Fig.7 ; et la Fig.9 est une vue simplifiée en coupe montrant une deuxième forme de réalisation d'un élément d'assemblage et d'interconnexion utilisable pour la réalisation d'ensembles de commutation de puissance selon l'invention. [0021] Dans l'état de la technique, l'encapsulage des puces de puissance pour la 20 réalisation de modules de commutation de puissance fait grandement appel à une technologie dérivée de la technologie dite « IMS » (pour « Insulated Metal Substrate »). La puce est implantée dans une structure en sandwich entre deux plaques conductrices en cuivre. Des techniques de dépôt électrolytique de cuivre et de frittage d'argent sont utilisées pour l'interconnexion électrique de la puce. Des diélectriques composés de résines de type 25 époxy, renforcées ou pas à la fibre de verre, ou de polyimides, sont utilisés pour l'isolation électrique. Le découpage et le perçage au rayon laser sont fréquemment utilisés pour le retrait de matière. Des pistes et pastilles de cuivre pour l'interconnexion électrique sont obtenues typiquement par gravure humide d'une feuille de cuivre. [0022] Ainsi, comme montré par l'exemple de l'état de la technique de la Fig.1, l'empilage 30 3D d'un module de commutation de puissance PM formé d'une branche de pont de commutation comprend des puces de transistor THS et Tes, des bus barres +DC et -DC, un bus barre central OUT, des feuilles conductrices d'interconnexion CGu et CGC et des 6 couches diélectriques d'isolation électrique IS1u, IS2u et 'S'IL, IS2L. Les bus barres +DC, DC et OUT et les feuilles conductrices d'interconnexion CGu et COL sont en cuivre et les couches diélectriques d'isolation électrique IS1u, IS2u et IS1L, IS2L sont typiquement réalisées avec les matériaux susmentionnés à base de résines époxy ou polyimides. 5 [0023] Les puces de transistor Tris et Tes sont ici de type vertical et comportent des électrodes de source et drain (non repérées) situées respectivement sur des faces haute et basse de la puce. Les électrodes de source et drain sont reliées électriquement aux bus barres. L'électrode de grille Gu, GL, de la puce de transistor TryS, ILS, est située sur la face haute de la puce. Les électrodes de grilles Gu et GL sont reliées aux feuilles conductrices 10 d'interconnexion CGu et CGC par des pistes conductrices Cu et CL et en continuité électrique avec des bornes de contact GPu et GPL, respectivement. La couche diélectrique d'isolation électrique IS1u,151L, assure une isolation électrique entre le bus barre +DC, -DC, et la feuille conductrice d'interconnexion CGu, COL, respectivement. La couche diélectrique d'isolation électrique IS2u, IS2L, assure une isolation électrique entre la feuille conductrice 15 d'interconnexion CGu, COL, et le bus barre central OUT, respectivement. [0024] Les connexions électriques des puces Tus et ILS aux tensions continues d'alimentation sont assurées par les bus barres +DC et -DC. La commande des électrodes de grilles Gu et GL est assurée à travers les bornes de contact GPu et GPL. Le point milieu de la branche de commutation PM est disponible sur le bus barre central OUT dédié à la 20 tension alternative. [0025] L'architecture de ce module de commutation de puissance PM de l'état de la technique n'est pas adaptée pour des puces de transistor de type latéral. Par ailleurs, comme visible à la Fig.1, les bornes de contact GPu et GPL, pour l'accès aux électrodes de grille des puces, sont localisées latéralement sur la structure, c'est-à-dire sur la tranche de 25 celle-ci. Cette localisation des bornes de contact GPu et GPL est souvent un inconvénient. En effet, des moyens connectiques supplémentaires doivent être prévus pour amener les liaisons électriques jusqu'au circuit de commande qui est disposé typiquement sur la face haute ou basse de la structure. [0026] Dans le concept de l'invention, l'élément modulaire de commutation de puissance 30 est un composant standard qui est adapté pour l'intégration de puces de transistor de type latéral. Avantageusement, l'élément modulaire de commutation de puissance est réalisé avec les techniques de fabrication des cartes à circuit imprimé, dites PCB de REVENDICATIONS1) Elément modulaire de commutation de puissance (1A, 1B) comprenant des premier et deuxième blocs stratifiés (BHA, BLA) assemblés selon une configuration antisymétrique relativement à un plan de jonction (JC), chacun desdits premier et deuxième blocs stratifiés (BHA, BLA) comprenant une puce électronique de commutation de puissance (CPH, CPL) implantée dans une stratification entre une plaque composite externe (PEHA, PELA) et une plaque composite interne (PIHA, PILA) séparées par une couche diélectrique intermédiaire (CDHA, CDLA), lesdites plaques composites externe (PEHA, PELA) et interne (PIHA, PILA) ayant chacune des bus de conduction électrique (BEH+, BEL+, BEH-, BEL- ; BIH+, BIL+, BIH-, BIL-, BCH, BCL), chaque dite puce électronique de commutation de puissance (CPH, CPL) ayant une face comprenant des première et deuxième électrodes de puissance (D1, D2, S1, S2) et une électrode de commande de commutation (G1, G2), lesdites première et deuxième électrodes de puissance (D1, D2, S1, S2) étant reliées électriquement à des premier (BIH+, BCL) et deuxième (BCH, BIL-) bus internes de conduction électrique respectifs de ladite plaque composite interne (PIHA, PILA), dans lequel une pluralité d'orifices (001 à 005, 0020, 0040) comprenant chacun une couche interne électriquement conductrice (Cl) se prolongent dans lesdits premier et second blocs stratifiés (BHA, BLA) depuis des faces extérieures de leurs dites plaques composites externes (PEHA, PELA), ladite pluralité d'orifices (001 à 005, 0020, 0040) comprenant au moins des premier et deuxième orifices (002, 004) communiquant chacun avec une dite électrode de commande de commutation respective (G1, G2) desdites puces électroniques de commutation de puissance (CPH, CPL) et au moins des première, deuxième et troisième pluralités d'orifices (001, 003, 005) traversant totalement lesdits premier et deuxième blocs stratifiés (BHA, BLA), interconnectant électriquement des dits bus de conduction électrique (BEH+, BEL+, BEH-, BEL- ; BIH+, BIL+, BIH-, BIL-, BCH, BCL) desdits premier et deuxième blocs stratifiés (BHA, BLA) et ayant un pas d'écartement fixe (P) entre les orifices (001, 003, 005). 2) Elément modulaire de commutation de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites puces électroniques de commutation de puissance (CPH, CPL) sont des puces de transistor de type latéral. 3) Elément modulaire de commutation de puissance selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite première pluralité d'orifices (001) interconnectent 15 électriquement ledit premier bus interne de conduction électrique (BIH+) de ladite plaque composite interne (PIHA) dudit premier bloc stratifié (BHA) à des premiers bus externes de conduction électrique (BEH+, BEL+) des plaques composites externes (PEHA, PELA) desdits premier et deuxième blocs stratifiés (BHA, BLA). 5 4) Elément modulaire de commutation de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite deuxième pluralité d'orifices (005) interconnectent électriquement ledit deuxième bus interne de conduction électrique (BIL-) de ladite plaque composite interne (PILA) dudit deuxième bloc stratifié (BLA) à des deuxièmes bus externes de conduction électrique (BEL-, BEH-) des plaques 10 composites externes (PELA, PEHA) desdits premier et deuxième blocs stratifiés (BLA, BHA). 5) Elément modulaire de commutation de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite troisième pluralité d'orifices (003) interconnectent électriquement ledit deuxième bus interne de conduction électrique 15 (BCH) et ledit premier bus interne de conduction électrique (BCL) desdites plaques composites internes (PIHA, PILA) desdits premier et deuxième blocs stratifiés (BHA, BLA). 6) Elément modulaire de commutation de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite pluralité d'orifices (001 à 005, 20 0020, 0040) comprend également des troisième et quatrième orifices (0020, 0040) qui se prolongent dans lesdits premier et second blocs stratifiés (BHA, BLA) depuis des faces extérieures de leurs dites plaques composites externes (PEHA, PELA), lesdits troisième et quatrième orifices (0020, 0040) étant reliés respectivement par des pistes électriquement conductrices (P2, P4) auxdits premier 25 et deuxième orifices (002, 004) communiquant avec lesdites électrodes de commande de commutation (G1, G2) desdites puces électroniques de commutation de puissance (CPH, CPL). 7) Ensemble démontable de commutation de puissance comprenant au moins deux éléments modulaires de commutation de puissance (1A, 1B) selon l'une quelconque 30 des revendications 1 à 6, et une pluralité de broches d'assemblage électriquement conductrices (21 à 29), dans lequel lesdites broches d'assemblage électriquement conductrices (21 à 29) sont insérées dans desdits orifices (001 à 005, 0020, 0040) desdits éléments modulaires de commutation de puissance (1A, 1B) et assurent des 16 fonctions d'assemblage mécanique et de liaison électrique entre lesdits éléments modulaires de commutation de puissance (1A, 18). 8) Ensemble démontable de commutation de puissance selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un canal de circulation de fluide (CAL) formé par 5 un écartement entre lesdits éléments modulaires de commutation de puissance (1A, 1B), ledit écartement étant obtenu au moyen desdites broches d'assemblage électriquement conductrices (21 à 29). 9) Ensemble démontable de commutation de puissance selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comprend également au moins un élément d'assemblage et 10 d'interconnexion (BI, BIF) interposé entre lesdits éléments modulaires de commutation de puissance (4A, 48), ledit élément d'assemblage et d'interconnexion (BI, BIF) comportant au moins une barre électriquement conductrice (3, 5) dans laquelle sont aménagés une pluralité d'orifices traversants (0E), lesdits orifices traversants (0E) étant répartis avec ledit pas d'écartement fixe (P) et recevant 15 lesdites broches conductrices d'assemblage (210H à 214H ; 219L à 214L, OF). 10) Ensemble démontable de commutation de puissance selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit élément d'assemblage et d'interconnexion (BIF) comporte au moins deux barres électriquement conductrices (5), lesdites barres électriquement conductrices (5) étant disposées avec un écartement déterminé 20 entre elles de façon à former un canal de circulation de fluide (CAN).