Brevet FR3103317A1 — publié le 20210521

Le présent document concerne un module (10) de puissance comprenant : - un premier substrat (12) recouvert d’une première couche métallique (13) et un second substrat (14) recouvert d’une seconde couche métallique (15) et au moins un composant électronique (18) relié à la première couche métallique (13), - des premiers plots (16a) électriquement et thermiquement conducteurs reliant la première couche métallique (13) audit au moins un composant électronique (18), - une enceinte (24) entourant ledit au moins un composant électronique (18) et étant reliée à étanchéité auxdites première (13) et seconde (15) couche métallique, l’enceinte (24) comprenant au moins une première ouverture (24a) destinée à former une entrée de fluide de refroidissement et une seconde ouverture (24b) destinée à former une sortie de fluide de refroidissement. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1. Module de puissance Domaine technique de l’invention Le présent document concerne un module de puissance, en particulier destiné à être utilisé dans le domaine aéronautique. État de la technique antérieure Dans le domaine de l’aéronautique, des modules électroniques de puissance sont embarqués, intégrés par exemple, à des convertisseurs, nécessaires à l’alimentation en courant électrique des systèmes propulsifs et non propulsifs à bord des aéronefs. Ces modules électroniques de puissance contribuent à convertir l’énergie électrique du réseau principal en un courant et une tension adaptés à ces systèmes propulsifs et non propulsifs. Ainsi, les modules électroniques de puissance embarqués comprennent des composants à semi-conducteurs de puissance, tels que des diodes et des transistors, disposés sur un substrat en céramique et connectés entre eux par des connectiques électriques afin de réaliser des fonctions électroniques plus ou moins complexes. De tels modules électroniques de puissance sont soumis à des contraintes environnementales sévères, notamment thermiques. Ils sont donc conçus pour résister à des températures pouvant aller jusqu’à 200 °C. Afin de garantir le maintien de ces modules électroniques à une température inférieure à la température maximale, les modules électroniques de puissance existants comprennent des dissipateurs thermiques. En particulier, les dissipateurs thermiques sont disposés sur la face opposée à la face sur laquelle sont disposés les composants à semi-conducteurs de puissance. Plus précisément, les modules refroidis double face comprennent un support pour assurer le maintien mécanique et en partie la connexion électrique entre les composants à semi-conducteurs. La connexion électrique est complétée par une plaque permettant de réaliser ainsi un circuit électrique entre une pluralité des composants et le circuit externe. Dans les cas où il est souhaitable d’avoir une isolation électrique entre les circuits et les échangeurs thermiques, le support et la plaque sont des substrats céramiques métallisés des deux côtés et gravés du côté des composants de puissance pour pourvoir réaliser le circuit électrique. Ces substrats peuvent être de type DBC (Direct bonded Copper qui se traduit par Cuivre lié directement), AMB (Active Metal Brazing qui se traduit par brasage des métaux actifs), DBA (Direct Bonded Aluminum qui se traduit par aluminium lié directement). Les dissipateurs thermiques peuvent être couplés thermiquement au substrat métallisé en utilisant un matériau d’interface thermique. Il est ainsi possible de réaliser un brasage ou un frittage de l’interface, la résistance thermique résultante étant faible mais le procédé pour assurer un bon joint reste complexe et les contraintes mécaniques dans le joint sont très élevées limitant ainsi sa fiabilité thermomécanique (complexité de braser proprement avec un faible taux de vide des substrats métallisés du fait de la cambrure des substrats et les larges surfaces de contact, et de la nécessité d’appliquer des forces élevées et homogènes dans le cas de frittage). Il est encore aussi possible d’utiliser des joints souples comme la graisse thermique (dans la majorité des cas). Le procédé est facile à réaliser mais les matériaux ne sont pas compatibles avec les hautes températures (>175°C) et présentent des conductivités thermiques faibles (2W/mK). Il est encore possible d’éviter les difficultés de brasure/soudure en utilisant un fluide directement sur la face inférieure des substrats, mais dans cette configuration la surface d’échange est fortement réduite et par suite la résistance thermique de convection sera plus élevée. Il est ainsi proposé un module de puissance comprenant : - un premier substrat recouvert d’une première couche métallique et un second substrat recouvert d’une seconde couche métallique et au moins un composant électronique relié à la première couche métallique, - des premiers plots électriquement et thermiquement conducteurs reliant la première couche métallique audit au moins un composant électronique, - une enceinte entourant ledit au moins un composant électronique et étant reliée à étanchéité auxdites première et seconde couche métallique, l’enceinte comprenant au moins une première ouverture destinée à former une entrée de fluide de refroidissement et une seconde ouverture destinée à former une sortie de fluide de refroidissement. Ainsi, la circulation de fluide depuis l’entrée de fluide au travers des plots et jusqu’à la sortie de fluide permet de refroidir les composants. La réalisation de l’échange thermique au plus près des composants dissipateurs de chaleur permet d’augmenter la compacité du dispositif et ainsi de réduire la masse de l’ensemble ainsi formé. Il est ainsi possible de réaliser un refroidissement direct des deux faces composants avec une surface d’échange thermique augmentée du fait de l’utilisation des plots thermiquement conducteurs de chaleur. La variation de température au niveau des substrats est ainsi réduite, ce qui permet d’augmenter la fiabilité de ceux-ci et donc d’augmenter la durée de vie attendue du module de puissance. Il n’est plus nécessaire d’encapsuler le module avec des polymères ce qui permet d’augmenter la température de fonctionnement. Les substrats métallisés c’est-à-dire comprenant une couche métallique comme évoqué ci-dessus sont de préférence en multicouches et peuvent inclurent des connectiques extérieures en extension du métal utilisé pour le substrat. L’enceinte peut être réalisée en polymère qui peut être directement fabriquée par fabrication additive tridimensionnelles sur le substrat ou bien encore rapportée et par exemple collée. L’enceinte peut être ainsi réalisée dans un matériau métallique et peut être réalisée par fabrication additive de métal ou par électroformage sur une couche métallique de l’un du premier substrat et du second substrat. L’enceinte métallique peut aussi être attachée par brasure, frittage ou collage. L’intérêt de l’utilisation d’une enceinte métallique vient du fait qu’elle peut constituer un blindage électromagnétique limitant les interférences entre les composants situés à l’intérieur de l’enceinte et ceux situés à l’extérieur. Par ailleurs, une telle enceinte peut résister à des pressions internes fortes exercées par le fluide de refroidissement. Les plots électriquement et thermiquement conducteurs peuvent être directement imprimés sur la couche métallique de l’un des substrats. Une fixation aux couches métalliques par brasage, frittage, ou collage peut être envisagée. Une autre alternative peut consister à avoir une partie des plots directement sur certains composants électroniques ou composants à semi-conducteur de puissance comme cela apparaitra ci-après et en référence aux figures. Le fluide peut être électriquement isolant. Si cela n’est pas le cas ou bien qu’il présentait une incompatibilité chimique avec un des éléments du module de puissance avec lequel il est en contact, une couche de protection peut être déposée pour couvrir la surface en contact avec le fluide. Des polymères par exemple déposés en phase vapeur, tel que du parylène, peuvent assurer un tel rôle. Selon une autre caractéristique du présent document, une première feuille métallique peut être intercalée entre ledit au moins un composant électronique et lesdits premiers plots. Au moins un des premiers plots peut être relié audit composant électronique et au moins un autre des premiers plots est relié à la première feuille métallique. Le module peut comprendre des seconds plots électriquement et thermiquement conducteurs reliant la seconde couche métallique audit au moins un composant électronique. Une seconde feuille métallique peut être intercalée entre ledit au moins un composant électronique et lesdits seconds plots. Le module peut être tel qu’au moins un des seconds plots est relié audit composant électronique et au moins un autre des seconds plots est relié à la seconde feuille métallique. Lesdits plots peuvent comprendre une première extrémité fixée à une couche métallique et une seconde extrémité opposée fixé à une pièce en vis-à-vis par des moyens de fixation électriquement et thermiquement conducteurs. Les moyens de fixation peuvent comprendre l’un d’une brasure, d’une patte de frittage, d’une résine époxy et de tout autre matériau permettant d’assurer un joint mécanique et qui est conducteur électriquement et thermiquement. Le présent document vise également une installation électrique comprenant au moins un module tel que décrit ci-dessus, dans lequel la première ouverture est reliée à des moyens d’alimentation en fluide de refroidissement et la seconde ouverture est reliée à des moyens d’évacuation dudit fluide. Est également concerné, une turbomachine telle qu’un turboréacteur d’avion, comprenant au moins une installation. La présente divulgation concerne aussi un procédé de fabrication du module de puissance décrit ci-dessus, comprenant les étapes suivantes : - Fournir un premier substrat recouvert d’une première couche métallique, - Fabrication additive des premiers plots sur la première couche métallique, - Fixer au moins un composant électronique sur les premiers plots, - Réaliser une enceinte entourant lesdits premiers plots, cette enceinte comprenant au moins une première ouverture et une seconde ouverture, - Fournir un second substrat recouvert d’une seconde couche métallique, - Relier fixement le composant électronique à la seconde couche métallique du second substrat, - Ladite seconde couche métallique étant fixée à l’enceinte de manière à former une jonction étanche. Ladite enceinte peut être réalisée par fabrication additive ou bien rapportée. Elle peut être réalisée dans le même matériau que l’une des couches métalliques. Ladite enceinte peut être réalisée simultanément à la réalisation des premiers plots. Brève description des figures est une vue schématique en coupe d’un module de puissance selon le présent document ; est une vue schématique en perspective du module de puissance de la figure 1 ; comprend trois parties A, B et C qui illustrent trois variantes de réalisation du module de puissance selon la présente divulgation ; est une illustration schématique des étapes d’assemblage du module de puissance des figures 1 et 2. Description détaillée de l’invention On se réfère maintenant aux figures 1 et 2 qui représentent un module de puissance 10 selon la présente divulgation. Ainsi, le module de puissance 10 comprend un premier substrat 12 recouvert d’une première couche métallique 13 et un second substrat 14 recouvert d’une seconde couche métallique 15. Le premier substrat 12 et le second substrat 14 sont agencés en vis-à-vis l’un de l’autre de manière à ce que la première couche 13 métallique et la seconde couche métallique 15 soient en vis-à-vis l’une de l’autre. La première couche 13 métallique est reliée à la seconde couche 15 métallique par l’intermédiaire de plots 16 électriquement et thermiquement conducteurs. Les matériaux ici visés pour réaliser les plots 16 sont des matériaux qui présentent une conductivité électrique supérieure à 10 7 ohm -1 m -1 et une conductivité thermique supérieure à 100 W/mK. Comme cela est bien visible sur la figure 1, le module de puissance comprend des premiers 16a plots et des seconds 16b plots agencés en vis-à-vis les uns des autres, c’est-à-dire qu’un premier plot 16a est aligné avec un second plot 16b. Plus précisément, les premiers plots 16a relient la première couche 13 métallique à un composant électronique 18 et les seconds plots 16b relient un composant électronique à la seconde couche métallique 15. Dans le cas présent, on observe qu’il y a des troisièmes plots 16c qui relient directement la première couche métallique 13 à la seconde couche métallique 15. Cela pourrait aussi être le cas avec les variantes de réalisation de la figure 3 bien que cela ne soit pas illustré. La face externe de chaque substrat 12 porte une couche externe 20 portant un composant de commande 22 des composants électroniques internes 18, c’est-à-dire ceux agencés entre la première couche 13 métallique et la seconde couche 15 métallique. Les premiers plots 16a et second plots 16b ainsi que les composants électroniques 18 sont entourés par une enceinte 24 (mieux visible en figure 2) laquelle est reliée à étanchéité auxdites première 13 et seconde 15 couche métallique. Par ailleurs, l’enceinte 24 comprend au moins une première ouverture 24a et destinée à former une entrée de fluide de refroidissement et au moins une seconde ouverture 24b destinée à former une sortie de fluide de refroidissement. Dans le cas présent, l’enceinte 24 comprend une seule ouverture ou entrée de fluide de refroidissement et une seule ouverture ou sortie de fluide de refroidissement. La première ouverture 24a est reliée à des moyens d’alimentation en fluide de refroidissement et la seconde ouverture 24b est reliée à une des moyens d’évacuation dudit liquide. En pratique, ces moyens peuvent être des conduites d’un circuit de fluide de refroidissement. L’enceinte 24 peut être réalisée dans le même matériau que celui utilisé pour réaliser les plots 16 ou bien dans un matériau différent. Préférentiellement, on réalisera l’enceinte 24 avec un matériau métallique afin de permettre un blindage électromagnétique des composants électroniques internes 18. La figure 3A illustre le mode de de réalisation de la figure 2. Sur celle-ci, on observe que les premiers plots 16a et seconds plots 16b comprennent une première extrémité fixée à une couche métallique et une seconde extrémité opposée fixée à un composant en vis-à-vis par des moyens de fixation 26 électriquement et thermiquement conducteurs. Ces moyens de fixation comprennent l’un d’une brasure, d’une patte de frittage, d’une résine époxy et de tout autre matériau permettant d’assurer un joint mécanique et qui est conducteur électriquement et thermiquement. La figure 3B illustre une seconde variante dans laquelle le ou les composants électroniques peuvent être fixés directement sur l’une de la première couche métallique et de la seconde couche métallique tandis que des plots 16 relient l’autre de la première couche métallique 13 et de la seconde couche métallique 15 aux composants électroniques 18. Les plots sont ici des seconds plots 16b reliés aux composants électroniques 18 par des moyens de fixation 26 identiques ou similaires à ceux décrits précédemment en référence à la figure 3A. La figure 3C illustre une troisième variante dans laquelle une première feuille métallique 28 est intercalée entre le composant et lesdits premiers plots 16a. Egalement, on observe que certains des seconds plots 16b sont reliés directement au composant électronique 18 et d’autres des seconds 16b plots sont reliés à une seconde feuille métallique 30. Cette première feuille métallique 28 et cette seconde feuille métallique 30 sont fixées au composant électronique 18 (ou aux composants électroniques) par des moyens de fixation 26 identiques ou similaires à ceux décrits précédemment en référence à la figure 3A. Il serait également possible d’avoir des premiers plots 16a reliés directement au composant électronique 18 et d’autres des premiers plots 16a reliés à la première feuille métallique 28. La première feuille 28 métallique et/ou la seconde feuille métallique 30 sont réalisées dans des matériaux électriquement et thermiquement conducteurs. Les feuilles métalliques 28, 30 peuvent présenter une épaisseur de l’ordre de 100µm jusqu’à 10 mm. Elles peuvent être réalisées en [par exemple cuivre, aluminium, argent, tungstene, molybène, ou un alliage formé par un mélange de ces matériaux. Bien que cela ne soit pas représenté sur la figure 3, ces variantes comprennent également une enceinte 24 entourant les plots et les composants électroniques 18. La figure 4 illustre un procédé de fabrication du module 10 de puissance. Ainsi, le procédé comprend les étapes suivantes : - Dans une première étape A, on fournit un premier substrat 12 recouvert d’une première couche métallique 13, - La seconde étape comprend la fabrication additive des premiers plots 16a sur la première couche métallique 13 du premier substrat 12, cette seconde étape peut également comprendre la fabrication additive de l’enceinte 24 (comprenant une entrée et 24a une sortie 24b de fluide) de manière simultanée à la fabrication des premiers plots 16a, - Dans une troisième étape, on ajoute des moyens de fixation 26 sur les premières extrémités des premiers plots 16a et on fixe au moins un composant électronique 18 sur les premiers plots 16a, - Dans une quatrième étape, on ajoute des moyens de fixation 26 sur les composants et les bords libres de l’enceinte 24, - Dans un cinquième étape, on fournit un second substrat 14 recouvert d’une seconde couche métallique 15, - Dans une sixième étape, on ajoute les seconds plots 16b sur la seconde couche métallique 15 du second substrat 14, - Dans une septième étape, on fixe les secondes extrémités des seconds plots 16b sur les composants électroniques 18 ou bien sur une feuille métallique 28, 30 pour obtenir l’un des modules décrit précédemment. Le module 10 ainsi formé peut être branché à un système de refroidissement classique. Un matériau isolant électrique et inerte chimiquement peut être déposé en couche mince sur les composants électroniques si le liquide de refroidissement n’est pas un isolant électrique et pour empêcher toute réaction chimique des matériaux des composants avec le liquide. On pourra ainsi considérer les techniques de dépôt en phase vapeur pour réaliser une couche de protection électrique et chimique. Module (10) de puissance comprenant : - un premier substrat (12) recouvert d’une première couche métallique (13) et un second substrat (14) recouvert d’une seconde couche métallique (15) et au moins un composant électronique (18) relié à la première couche métallique (13), des premiers plots (16a) électriquement et thermiquement conducteurs reliant la première couche métallique (13) audit au moins un composant électronique (18), une enceinte (24) entourant ledit au moins un composant électronique (18) et étant reliée à étanchéité auxdites première (13) et seconde (15) couche métallique, l’enceinte (24) comprenant au moins une première ouverture (24a) destinée à former une entrée de fluide de refroidissement et une seconde ouverture (24b) destinée à former une sortie de fluide de refroidissement. Module selon la revendication 1, dans lequel une première feuille (28) métallique est intercalée entre ledit au moins un composant électronique (18) et lesdits premiers plots (16a). Module selon la revendication 2, dans lequel au moins un des premiers plots (16a) est relié audit composant électronique (18) et au moins un autre des premiers plots (16a) est relié à la première feuille métallique (28). Module selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel il comprend des seconds plots (16b) électriquement et thermiquement conducteurs reliant la seconde couche métallique (15) audit au moins un composant électronique (18). Module selon la revendication 4, dans lequel une seconde feuille métallique (30) est intercalée entre ledit au moins un composant électronique (18) et lesdits seconds plots (16b). Module selon la revendication 4 ou 5, dans lequel dans lequel au moins un des seconds plots (16b) est relié audit composant électronique (18) et au moins un autre des seconds plots (16b) est relié à la seconde feuille métallique (30). Module de puissance selon l’une des revendications à 1 à 6, dans lequel lesdits plots (16a, 16b) comprennent une première extrémité fixée à une couche métallique et une seconde extrémité opposée fixé à une pièce en vis-à-vis par des moyens de fixation électriquement et thermiquement conducteurs. Module selon la revendication 7, dans lequel les moyens de fixation (26) comprennent l’un d’une brasure, d’une patte de frittage, d’une résine époxy et de tout autre matériau permettant d’assurer un joint mécanique et qui est conducteur électriquement et thermiquement. Installation électrique comprenant au moins un module selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la première ouverture (24a) est reliée à des moyens d’alimentation en fluide de refroidissement et la seconde ouverture (24b) est reliée à des moyens d’évacuation dudit fluide. Turbomachine telle qu’un turboréacteur d’avion, comprenant au moins une installation selon la revendication précédente. Procédé de fabrication du module selon l’une des revendications 1 à 8, comprenant les étapes suivantes : - Fournir un premier substrat recouvert d’une première couche métallique, - Fabrication additive des premiers plots sur la première couche métallique, - Fixer au moins un composant électronique sur les premiers plots, - Réaliser une enceinte entourant lesdits premiers plots, cette enceinte comprenant au moins une première ouverture et une seconde ouverture, - Fournir un second substrat recouvert d’une seconde couche métallique, - Relier fixement le composant électronique à la seconde couche métallique du second substrat, - Ladite seconde couche métallique étant fixée à l’enceinte de manière à former une jonction étanche. Procédé selon la revendication 11, dans lequel ladite enceinte est réalisée par fabrication additive. Procédé selon la revendication 11, dans lequel ladite enceinte est réalisée simultanément à la réalisation des premiers plots.