EP4673974A1 - Module de puissance muni d'un cadre de rigidification - Google Patents

Module de puissance muni d'un cadre de rigidification

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Publication number
EP4673974A1
EP4673974A1 EP24705484.4A EP24705484A EP4673974A1 EP 4673974 A1 EP4673974 A1 EP 4673974A1 EP 24705484 A EP24705484 A EP 24705484A EP 4673974 A1 EP4673974 A1 EP 4673974A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
stiffening frame
substrate
power module
electronic components
encapsulation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24705484.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Rémy BIAUJAUD
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Electrical and Power SAS
Original Assignee
Safran Electrical and Power SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safran Electrical and Power SAS filed Critical Safran Electrical and Power SAS
Publication of EP4673974A1 publication Critical patent/EP4673974A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H10W76/10—Containers or parts thereof
    • H10W76/12—Containers or parts thereof characterised by their shape
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
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    • H10W40/60—Securing means for detachable heating or cooling arrangements, e.g. clamps
    • H10W40/641—Snap-on arrangements, e.g. clips
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    • H10W90/701—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts

Definitions

  • TITLE POWER MODULE WITH A RIGIDIFICATION FRAME
  • the present invention relates to a power module provided with a stiffening frame.
  • the invention finds a particularly advantageous, but not exclusive, application in the fields of power modules having an electrical signal conversion function.
  • power modules make it possible to integrate several electronic components within the same housing to perform more or less complex functions, such as a switch function for a chopper, a rectifier bridge arm function or a complete rectifier bridge function for a set of phases of a polyphase electrical signal.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a power module 10 mounted on a heat sink 15. More specifically, the power module 10 comprises a substrate 11 providing various functions, in particular a mechanical holding function for semiconductor chips or other electronic components 13, an electrical connection function, a function for accommodating a protective cover and/or a function for accommodating an encapsulation solution, as well as a heat exchange function with a cooling device.
  • a substrate 11 providing various functions, in particular a mechanical holding function for semiconductor chips or other electronic components 13, an electrical connection function, a function for accommodating a protective cover and/or a function for accommodating an encapsulation solution, as well as a heat exchange function with a cooling device.
  • the substrate 11 may be assembled on a sole 12, in particular in the case of a ceramic substrate.
  • the sole 12 is arranged on the heat sink 15, by means of a thermal interface material 18.
  • the substrate 11 may be mounted directly on a heat sink 15, for example for a substrate of the SMI type, acronym for “Insulated Metal Substrate”.
  • the electronic components 13 are constituted, for example, by chips made of semiconductor material and/or standard components, such as resistors, capacitors and/or coils.
  • the electronic components 13 are transferred to the substrate 11.
  • a standard technique consists, in particular, of transferring the electronic components 13 by soldering onto the substrate 11.
  • Electrical interconnections 14 are made, in particular, between the electronic components 13 and electrical tracks of the substrate 11 and between the electronic components 13 and power terminals 16 and/or control terminals 17.
  • the electrical interconnections 14 may, in particular, be produced via a wire bonding process.
  • the electrical interconnections 14 may also be produced using clips attached by sintering.
  • an electrical wire also called a bridge, is welded, for example by ultrasound, between two elements to be electrically connected to each other.
  • the encapsulation material 20 can take the form of a gel, an epoxy resin and/or a coating of an insulating material suitable for being applied to the electronic components 13.
  • the encapsulation material 20 is also known by the English term “coating”.
  • a housing 21 closes the assembly thus formed.
  • the housing 21 can carry part of the power terminals 16 and/or the control terminals 17.
  • the substrate 11 has a general conformation making it necessary to create walls to hold the encapsulation material 20 around the electronic components 13 to be protected.
  • a conventional technique for producing the walls consists of gluing a retaining ring, in particular made of plastic, also known by the Anglo-Saxon name of “ring frame”.
  • the SMI type substrate 11 comprises a copper plate one or more millimeters thick, on which an insulator is laminated, for example with a thickness of approximately 100 ⁇ m, on which are metallized electrical tracks, particularly copper, used for transferring electronic components 13.
  • a low thickness and rigidity of an SMI type substrate 11 can lead to a deformation of the substrate, also known as “warping”. Such a deformation of the substrate 11 reduces the heat transfer performance of the substrate 11 to the heat sink 15 due to the deformation of a contact zone between the substrate 11 and the heat sink 15.
  • a method of bonding the retaining ring of the encapsulation material 20 can generate production drifts, such as bubbles in the gel of the encapsulation material 20, adhesion problems, dripping, etc.
  • the glue Since the glue has a limited lifespan, aging of the glue can cause deterioration of the mechanical strength of the power module 10, or of its sealing.
  • the invention aims to effectively remedy the aforementioned drawbacks by proposing a power module comprising:
  • an encapsulation material disposed inside the encapsulation space to coat the electronic components.
  • the invention thus makes it possible, thanks to the presence of the stiffening frame, to reduce the effects of deformation of the substrate which reduce the thermal conductivity of the power module with the heat sink.
  • the invention makes it possible to simplify and reduce the duration of the manufacturing process by eliminating the steps linked to the bonding of the retaining ring of the encapsulation material, which are a preparation of the supports, an application of an adhesive and a polymerization phase.
  • the stiffening frame has a thermal expansion coefficient identical to a thermal expansion coefficient of the substrate.
  • the stiffening frame has a thermal expansion coefficient close to a thermal expansion coefficient of the substrate.
  • the stiffening frame comprises:
  • the stiffening frame comprises at least one assembly point, in particular a brazing or welding point, arranged between two opposite sides of the stiffening frame.
  • the assembly point in particular the brazing or welding point, is produced on a contact portion originating from a branch of the stiffening frame extending at least partially between the two opposite sides of the stiffening frame.
  • a protective cover is fixed on the stiffening frame.
  • the protective cover comprises shapes intended to cooperate with complementary shapes produced on the stiffening frame so as to allow snap-fitting of the protective cover onto the stiffening frame.
  • the substrate is an insulated metal substrate.
  • the encapsulation material is an encapsulation gel.
  • the invention also relates to an assembly comprising:
  • the stiffening frame comprises at least one mounting interface allowing passage of a fixing member ensuring fixing of the power module on the heat sink.
  • the stiffening frame comprises a support wall against which a snap-fastening device bears, making it possible to press the power module against the heat sink.
  • FIG. 1 Figure 1
  • Figure 2a Figure 1
  • Figures 3a and 3b are respectively top and sectional views along a section plane B-B of a power module according to the invention comprising a stiffening frame;
  • Figure 4 is a schematic sectional view of a power module mounted on a heat sink by snap-fitting
  • Figure 5 is a diagram of the steps of a method of manufacturing a power module according to the invention.
  • Figures 2a and 2b are respectively top and sectional views along a section plane A-A of the power module 10 according to the invention comprising a stiffening frame 25. More particularly, Figures 2a and 2b show a power module 10 comprising the substrate 11 and electronic components 13 attached to the substrate 11. In particular, the substrate 11 has the shape of a plate.
  • the substrate 11 is, in particular preferably, an SMI type substrate comprising a copper plate, in particular having a thickness of one or more millimeters, on which an insulator is laminated, for example with a thickness of approximately 10Oprn, on which copper tracks are metallized for the transfer of the electronic components 13.
  • the substrate 11 may take the form of a ceramic substrate or any other suitable type of substrate.
  • the electronic components 13 may comprise semiconductor chips and/or standard components, such as resistors, capacitors, and/or coils.
  • the electronic components 13 can be transferred by soldering to the substrate 11 or by any other suitable techniques.
  • the electrical interconnections 14 are made, in particular, between the electronic components 13 and the electrical tracks 19 of the substrate 11 and between the electronic components 13 and the power terminals 16 and/or the control terminals 17.
  • the electrical interconnections 14 may be made via a wire wiring process.
  • the power module 10 may also include a connector 22.
  • the power module 10 further comprises the stiffening frame 25, in particular brazed onto the substrate 11, in particular onto a metal part of the substrate 11.
  • the brazing between the stiffening frame 25 and the substrate 11 implies that the metal connection between the stiffening frame 25 and the substrate 11 is established without melting the elements assembled together.
  • a filler metal having a melting temperature lower than that of the elements to be assembled together.
  • the stiffening frame 25 extends, at least partially, around the electronic components 13 so as to delimit an encapsulation space 26.
  • the encapsulation space 26 may advantageously have a closed circumference.
  • the encapsulation material 20 is arranged inside the encapsulation space 26 delimited by the stiffening frame 25 to coat or encapsulate the electronic components 13 in order to protect them.
  • the encapsulating material 20 is preferably an encapsulating gel.
  • the encapsulating material 20 may take the form of an epoxy resin or a coating of an insulating material suitable for such an application.
  • the stiffening frame 25 may have a rectangular or square shape.
  • the stiffening frame 25 thus comprises four sides 25.1-25.4.
  • the stiffening frame 25 comprises two sides 25.1, 25.3 parallel to each other, each extending close to and parallel to a corresponding edge of the substrate 11.
  • the stiffening frame 25 also comprises two other sides 25.2, 25.4 parallel to each other, respectively extending close to and parallel to a corresponding edge of the substrate 11.
  • the sides 25.1-25.4 are mechanically connected to each other.
  • the stiffening frame 25 may have a round, oval, triangular, hexagonal, more generally polygonal shape or any other shape adapted to the shape of the substrate 11 and/or to the shape of the encapsulation space 26 to be filled by the encapsulation material 20.
  • the stiffening frame 25 may comprise at least one horizontal wall 29, or first horizontal wall 29, extending parallel to an extension plane of the substrate 11.
  • the horizontal wall 29 is, in particular, brazed onto the substrate 11.
  • the stiffening frame 25 may also comprise at least one vertical wall 30, or first vertical wall 30, extending in a vertical plane perpendicular to the extension plane of the substrate 11.
  • a brazing zone 31 extends along each side 25.1-25.4 of the stiffening frame 25.
  • the vertical wall 30 makes it possible to provide a barrier to the flow of the encapsulation material 20.
  • the vertical wall 30 has a height greater, for example, by a few millimeters than a height of the highest electronic component 13 to be encapsulated.
  • the stiffening frame 25 may further comprise a second horizontal wall 29' parallel to the horizontal wall 29 so as to have a C-shaped or inverted C-shaped cross-section.
  • the second horizontal wall 29' extends between the first vertical wall 30 and the second vertical wall 30' so as to have a rectangular or square cross-section.
  • the stiffening frame 25 is made of a metallic material.
  • the material of the stiffening frame 25 has a thermal expansion coefficient identical to or close to a thermal expansion coefficient of the substrate 11. More specifically, the material of the stiffening frame 25 has a thermal expansion coefficient identical to or close to a thermal expansion coefficient of the metal plate of the substrate 11 in the case of an SMI type substrate.
  • the stiffening frame 25 is also made of copper.
  • the stiffening frame 25 can be made of aluminum or stainless steel. [0060] It is then possible that a surface treatment is necessary so that the stiffening frame 25 is compatible with the metallic material of the substrate 11.
  • Figures 3a and 3b are respectively top and sectional views along a section plane B-B of the power module 10 according to the invention comprising the stiffening frame 25 capable of being provided with at least one assembly point 35, in particular a brazing or welding point 35.
  • the assembly point 35 is arranged between two opposite sides of the stiffening frame 25.
  • brazing or welding point 35 we mean a brazing or welding area of small size, for example a surface of the order of ten to one hundred square millimeters.
  • the assembly point 35 can be made on a contact portion 36 originating from a branch 37 of the stiffening frame 25.
  • the branch 37 of the stiffening frame 25 extends, for example, longitudinally between two opposite sides of the stiffening frame 25.
  • the branch 37 of the stiffening frame 25 is able to extend at least partially between the two opposite sides of the stiffening frame 25.
  • the branch 37 of the stiffening frame 25 may be perpendicular and mechanically connected to at least one of the two sides of the stiffening frame 25.
  • the contact portion 36 has a horizontal wall 40, on which the assembly point 35 is made, and a vertical wall 41, coming from the horizontal wall 40 and connected to the branch 37 of the stiffening frame 25.
  • the contact portion 36 may have, for example, a T-shaped cross section or an L-shaped cross section.
  • a protective cover 44 may be arranged to protect the electronic components 13, in particular the sensitive electronic components 13, in particular against dust and dirt from the external environment, as shown in FIG. 4.
  • the protective cover 44 is capable of being fixed to the stiffening frame 25.
  • the protective cover 44 advantageously comprises shapes, such as, for example, dovetail shapes, intended to cooperate with complementary shapes produced on the stiffening frame 25.
  • the protective cover 44 can thus be snap-mounted onto the stiffening frame 25 to simplify the assembly operation.
  • the protective cover 44 can be fixed to the stiffening frame 25 by other fixing means, in particular by screwing or gluing or any other suitable fixing means.
  • Figure 4 is a schematic sectional view of the power module 10 mounted on a heat sink 15.
  • the stiffening frame 25 may comprise at least one mounting interface 45, capable of allowing passage of a fixing member 46, such as a screw, in order to ensure fixing of the power module 10 on the heat sink 15.
  • a fixing member 46 such as a screw
  • the mounting interface 45 may take the form of protruding ears provided with a passage hole for the fixing member 46.
  • the stiffening frame 25 may comprise a support wall 49 against which a snap-fastening device 50 bears, making it possible to press the power module 10 against the heat sink 15.
  • the support wall 49 can be constituted by the second horizontal wall 29', capable of forming the square or rectangular cross-section of the stiffening frame 25.
  • the support wall 49 is a wall forming a non-zero angle, preferably 90 degrees, relative to the first vertical wall 30.
  • the snap-fastening device 50 comprises at least one flexible blade 51 intended to come to bear against the support wall 49 of the stiffening frame 25.
  • the power module 10 is then held pressed against the heat sink 15 by the flexible blade 51.
  • Figure 5 is a diagram of the steps of a method of manufacturing the power module 10 according to the present invention.
  • the manufacturing method comprises at least one positioning step 100, during which the electronic components 13 and the stiffening frame 25 are positioned on the substrate 11.
  • the manufacturing method also comprises at least one assembly step 101, during which the stiffening frame 25 and the electronic components 13 are assembled, in particular soldered, on the substrate 11.
  • the assembly step 101 may in particular be by a reflow soldering technique or any other suitable technique.
  • the stiffening frame 25 can be assembled, in particular brazed, on the substrate 11 at the same time as the electronic components 13. During the assembly, in particular the brazing, of the stiffening frame 25 on the substrate 11, it is possible to keep the substrate 11 flat to impose zero curvature on it.
  • the latter is preferably carried out over the entire periphery of the stiffening frame 25.
  • the manufacturing method also comprises at least one encapsulation step 102, during which the encapsulation material 20, such as gel, is deposited, and in particular polymerized, in the encapsulation space 26 delimited by the stiffening frame 25.
  • the encapsulation material 20 such as gel
  • the manufacturing method may also include at least one covering step 103, during which the protective cover 44 is mounted on the stiffening frame 25.
  • the manufacturing method may also include at least one fixing step 104, during which the power module 10 is assembled on the heat sink 15, in particular by screwing and/or snapping.

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Casings For Electric Apparatus (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

La présente invention concerne un module de puissance (10) comportant: - un substrat (11), - des composants électroniques (13) reportés sur le substrat (11), - un cadre de rigidification (25) assemblé, notamment brasé, sur le substrat (11) et s'étendant au moins partiellement autour des composants électroniques (13), de façon à délimiter un espace d'encapsulation (26), et - un matériau d'encapsulation (20) disposé à l'intérieur de l'espace d'encapsulation (26), pour enrober les composants électroniques (13).

Description

DESCRIPTION
TITRE : MODULE DE PUISSANCE MUNI D'UN CADRE DE RIGIDIFICATION
[0001] La présente invention porte sur un module de puissance muni d'un cadre de rigidification. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans les domaines des modules de puissance ayant une fonction de conversion de signaux électriques.
[0002] De façon connue en soi, les modules de puissance permettent d’intégrer plusieurs composants électroniques au sein d’un même boîtier pour réaliser des fonctions plus ou moins complexes, telles qu'une fonction d'interrupteur pour un hacheur, une fonction de bras de pont redresseur ou une fonction de pont redresseur complet pour un ensemble de phases d’un signal électrique polyphasé.
[0003] La figure 1 est une vue schématique en coupe d’un module de puissance 10 monté sur un dissipateur thermique 15. Plus spécifiquement, le module de puissance 10 comporte un substrat 11 assurant diverses fonctions, en particulier une fonction de maintien mécanique de puces semi-conductrices ou d’autres composants électroniques 13, une fonction de connexions électriques, une fonction d'accueil d’un capot de protection et/ou une fonction d’accueil d'une solution d’encapsulation, ainsi qu’une fonction d'échange de chaleur avec un dispositif de refroidissement.
[0004] Le substrat 11 peut être assemblé sur une semelle 12, notamment dans le cas d’un substrat céramique. La semelle 12 est disposée sur le dissipateur thermique 15, par l'intermédiaire d'un matériau d'interface thermique 18. Alternativement, le substrat 11 peut être monté directement sur un dissipateur thermique 15, par exemple pour un substrat de type SMI, acronyme pour « Substrat Métallique Isolé ».
[0005] Les composants électroniques 13 sont constitués, par exemple, par des puces en matériau semi-conducteur et/ou des composants standards, de type résistances, condensateurs et/ou bobines. Les composants électroniques 13 sont reportés sur le substrat 11. Une technique standard consiste, en particulier, à reporter par brasure les composants électroniques 13 sur le substrat 11.
[0006] Des interconnexions électriques 14 sont réalisées, notamment, entre les composants électroniques 13 et des pistes électriques du substrat 11 et entre les composants électroniques 13 et des bornes de puissance 16 et/ou des bornes de commande 17.
[0007] Les interconnexions électriques 14 peuvent, en particulier, être réalisées via un procédé de câblage par fil, également connue sous la dénomination anglo- saxonne de « wire bonding ». Les interconnexions électriques 14 peuvent également être réalisées au moyen de clips rapportés par frittage. Selon une telle technologie, un fil électrique, également dénommé pont, est soudé, par exemple par ultrasons, entre deux éléments à connecter électriquement entre eux.
[0008] Un ensemble ainsi constitué est noyé dans un matériau d'encapsulation 20 permettant de protéger les composants électroniques 13 contre des agressions provoquées par un environnement dans lequel se situe le module de puissance 10.
[0009] Classiquement, le matériau d'encapsulation 20 peut prendre la forme d'un gel, d'une résine époxy et/ou d'un enrobage d'un matériau isolant adapté à être appliqué sur les composants électroniques 13. Le matériau d'encapsulation 20 est également connu sous la dénomination anglo-saxonne de « coating ».
[0010] Un boîtier 21 vient fermer l’ensemble ainsi constitué. Le boîtier 21 peut porter une partie des bornes de puissance 16 et/ou des bornes de commande 17.
[0011] Le substrat 11 présente une conformation générale rendant nécessaire de créer des parois pour maintenir le matériau d'encapsulation 20 autour des composants électroniques 13 à protéger. Une technique classique permettant la réalisation des parois consiste à coller un anneau de retenue, notamment en plastique, également connu sous la dénomination anglo-saxonne de « ring frame ».
[0012] Particulièrement, le substrat 11 de type SMI comporte une plaque de cuivre d’un ou plusieurs millimètres d’épaisseurs, sur laquelle est laminé un isolant, par exemple d’une épaisseur d’environ 100pm, sur lequel sont métallisées des pistes électriques, notamment en cuivre, servant au report des composants électroniques 13.
[0013] Lors de l’opération de brasage des composants électroniques, une faible épaisseur et une rigidité d’un substrat 11 de type SMI peuvent conduire à une déformation du substrat, également connue sous la dénomination anglo-saxonne de « warpage ». Une telle déformation du substrat 11 réduit des performances de transfert thermique du substrat 11 vers le dissipateur thermique 15 du fait de la déformation d’une zone de contact entre le substrat 11 et le dissipateur thermique 15.
[0014] Une telle déformation est difficilement modélisable à priori et est parfois liée à des paramètres de production difficilement maîtrisables. Ainsi, il peut apparaitre des variabilités non prévisibles en cours de production.
[0015] Par ailleurs, un procédé de collage de l'anneau de retenue du matériau d'encapsulation 20 peut générer des dérives de production, telles que des bulles dans le gel du matériau d'encapsulation 20, des problèmes d’adhérence, des coulures , etc...
[0016] Une préparation de la surface du substrat 11 , une dépose de la colle, ainsi qu’une polymérisation de la colle nécessitant des passages au four, augmentent, notamment de plusieurs heures, la durée du procédé fabrication du module de puissance 10.
[0017] La colle ayant une durée de vie limitée, un vieillissement de la colle peut générer des dégradations d’une tenue mécanique du module de puissance 10, ou de son étanchéité.
[0018] L'invention vise à remédier efficacement aux inconvénients précités en proposant un module de puissance comportant:
- un substrat,
- des composants électroniques reportés sur le substrat, - un cadre de rigidification assemblé, notamment brasé, sur le substrat, et s’étendant au moins partiellement autour des composants électroniques, de façon à délimiter un espace d'encapsulation, et
- un matériau d'encapsulation disposé à l’intérieur de l’espace d'encapsulation pour enrober les composants électroniques.
[0019] L'invention permet ainsi, grâce à la présence du cadre de rigidification, de réduire les effets de déformation du substrat qui diminuent la conductivité thermique du module de puissance avec le dissipateur thermique.
[0020] En outre, l'invention permet de simplifier et de réduire la durée du procédé de fabrication en supprimant les étapes liées au collage de l'anneau de retenue du matériau d'encapsulation, que sont une préparation des supports, une application d’une colle et une phase de polymérisation.
[0021] Selon une réalisation de l'invention, le cadre de rigidification présente un coefficient d'expansion thermique identique à un coefficient d'expansion thermique du substrat. Alternativement, le cadre de rigidification présente un coefficient d'expansion thermique proche d’un coefficient d'expansion thermique du substrat.
[0022] Selon un autre aspect de l'invention, le cadre de rigidification comporte:
- au moins une paroi horizontale, s'étendant parallèlement à un plan d’extension du substrat, et/ou
- au moins une paroi verticale, s'étendant dans un plan vertical par rapport au substrat.
[0023] Selon un autre aspect de l'invention, le cadre de rigidification comporte au moins un point d’assemblage, notamment un point de brasure ou de soudure, disposé entre deux côtés opposés du cadre de rigidification.
[0024] Selon une réalisation de l'invention, le point d’assemblage, notamment le point de brasure ou de soudure, est réalisé sur une portion de contact issue d'une branche du cadre de rigidification s'étendant au moins partiellement entre les deux côtés opposés du cadre de rigidification. [0025] Selon un autre aspect de l'invention, un capot de protection est fixé sur le cadre de rigidification.
[0026] Selon un autre aspect de l'invention, le capot de protection comporte des formes destinées à coopérer avec des formes complémentaires réalisées sur le cadre de rigidification de façon à permettre un montage par encliquetage du capot de protection sur le cadre de rigidification.
[0027] Selon un autre aspect de l'invention, le substrat est un substrat métallique isolé.
[0028] Selon un autre aspect de l'invention, le matériau d'encapsulation est un gel d’encapsulation.
[0029] L'invention a également pour objet un ensemble comportant:
- un module de puissance tel que précédemment défini, et
- un dissipateur thermique.
[0030] Selon un autre aspect de l'invention, le cadre de rigidification comporte au moins une interface de montage permettant un passage d'un organe de fixation assurant une fixation du module de puissance sur le dissipateur thermique.
[0031] Selon un autre aspect de l'invention, le cadre de rigidification comporte une paroi d'appui contre laquelle vient en appui un dispositif d’encliquetage permettant de plaquer le module de puissance contre le dissipateur thermique.
[0032] La présente invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages apparaîtront encore à la lecture de la description détaillée qui suit comprenant des modes de réalisation donnés à titre illustratif en référence avec les figures annexées, présentées à titre d’exemples non limitatifs, qui pourront servir à compléter la compréhension et l’exposé de réalisation de la présente invention et, le cas échéant, contribuer à sa définition, sur lesquelles:
- [Fig. 1] La figure 1 , déjà décrite, est une vue schématique en coupe d’un module de puissance monté sur un dissipateur thermique; - [Fig. 2a] [Fig. 2b] Les figures 2a et 2b sont respectivement des vues de dessus et en coupe selon un plan de coupe A-A d'un module de puissance selon l'invention comportant un cadre de rigidification ;
- [Fig. 3a] [Fig. 3b] Les figures 3a et 3b sont respectivement des vues de dessus et en coupe selon un plan de coupe B-B d'un module de puissance selon l'invention comportant un cadre de rigidification;
- [Fig. 4] La figure 4 est une vue schématique en coupe d’un module de puissance monté sur un dissipateur thermique par encliquetage; et
- [Fig. 5] La figure 5 est un diagramme des étapes d'un procédé de fabrication d'un module de puissance selon l'invention.
[0033] Il est à noter que, sur les figures, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation présentent les mêmes références. Ainsi, sauf mention contraire, de tels éléments disposent de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques.
[0034] Les figures 2a et 2b sont respectivement des vues de dessus et en coupe selon un plan de coupe A-A du module de puissance 10 selon l'invention comportant un cadre de rigidification 25. Plus particulièrement, les figures 2a et 2b montrent un module de puissance 10 comportant le substrat 11 et des composants électroniques 13 reportés sur le substrat 11 . Particulièrement, le substrat 11 présente une forme de plaque.
[0035] Le substrat 11 est, notamment de façon préférentielle, un substrat de type SMI comportant une plaque de cuivre, notamment présentant une épaisseur d’un ou plusieurs millimètres, sur laquelle est laminé un isolant, par exemple d’une épaisseur d’environ 10Oprn, sur lequel sont métallisées des pistes de cuivre servant au report des composants électroniques 13.
[0036] En variante, le substrat 11 peut prendre la forme d'un substrat en céramique ou tout autre type de substrat adapté.
[0037] Les composants électroniques 13 peuvent comporter des puces semi- conductrices et/ou des composants standards, de type résistances, condensateurs, et/ou bobines. Les composants électroniques 13 peuvent être reportés par brasure sur le substrat 11 ou par toutes autres techniques adaptées.
[0038] Les interconnexions électriques 14 sont réalisées, notamment, entre les composants électroniques 13 et des pistes électriques 19 du substrat 11 et entre les composants électroniques 13 et les bornes de puissance 16 et/ou les bornes de commande 17.
[0039] Les interconnexions électriques 14 peuvent être réalisées via un procédé de câblage par fil.
[0040] Le module de puissance 10 peut également comporter un connecteur 22.
[0041] Le module de puissance 10 comporte, en outre, le cadre de rigidification 25, notamment brasé sur le substrat 11 , en particulier sur une partie métallique du substrat 11.
[0042] Le brasage entre le cadre de rigidification 25 et le substrat 11 implique que la liaison métallique entre le cadre de rigidification 25 et le substrat 11 soit établie sans fusion des éléments assemblés entre eux. Selon les cas, il peut y avoir une utilisation, selon les besoins, d'un métal d'apport ayant une température de fusion inférieure à celle des éléments à assembler entre eux.
[0043] Le cadre de rigidification 25 s’étend, au moins partiellement, autour des composants électroniques 13 de façon à délimiter un espace d'encapsulation 26. L'espace d'encapsulation 26 peut présenter, avantageusement, une circonférence fermée.
[0044] Le matériau d'encapsulation 20 est disposé à l’intérieur de l’espace d'encapsulation 26 délimité par le cadre de rigidification 25 pour enrober ou encapsuler les composants électroniques 13 afin de les protéger.
[0045] Le matériau d'encapsulation 20 est, de préférence, un gel d’encapsulation. Alternativement, le matériau d'encapsulation 20 peut prendre la forme d'une résine époxy ou d'un enrobage d'un matériau isolant adapté à une telle application. [0046] Selon l'exemple présenté à titre purement illustratif et non limitatif, le cadre de rigidification 25 peut présenter une forme rectangulaire ou carrée. Le cadre de rigidification 25 comporte ainsi quatre côtés 25.1-25.4. Le cadre de rigidification 25 comporte deux côtés 25.1 , 25.3 parallèles entre eux s'étendant chacun à proximité et parallèlement à un bord correspondant du substrat 11. Le cadre de rigidification 25 comporte également deux autres côtés 25.2, 25.4 parallèles entre eux s'étendant respectivement à proximité et parallèlement à un bord correspondant du substrat 11 . Les côtés 25.1 -25.4 sont reliés mécaniquement entre eux.
[0047] En variante, le cadre de rigidification 25 peut présenter une forme ronde, ovale, triangulaire, hexagonale, plus généralement polygonale ou toute autre forme adaptée à la forme du substrat 11 et/ou à la forme de l'espace d'encapsulation 26 devant être rempli par le matériau d'encapsulation 20.
[0048] Selon l’exemple illustré sur la figure 2b, en vue de coupe, le cadre de rigidification 25 peut comporter au moins une paroi horizontale 29, ou première paroi horizontale 29, s'étendant parallèlement à un plan d’extension du substrat 11. La paroi horizontale 29 est, en particulier brasée sur le substrat 11. Le cadre de rigidification 25 peut également comporter au moins une paroi verticale 30, ou première paroi verticale 30, s'étendant dans un plan vertical perpendiculaire au plan d’extension au substrat 11 .
[0049] Une zone de brasure 31 s'étend suivant chaque côté 25.1-25.4 du cadre de rigidification 25.
[0050] La paroi verticale 30 permet d'assurer un barrage à l'écoulement du matériau d'encapsulation 20. A cet effet, la paroi verticale 30 présente une hauteur supérieure, par exemple, de quelques millimètres à une hauteur du composant électronique 13 le plus haut à encapsuler.
[0051] Dans l'exemple représenté, le cadre de rigidification 25 présente une section transversale en forme en L correspondant à un profil en forme de cornière.
[0052] En variante ou en complément, tel qu’illustré sur la figure 4, le cadre de rigidification 25 peut comporter en outre une deuxième paroi verticale 30' s'étendant parallèlement à la première paroi verticale 30 de façon à présenter une section transversale en forme de U.
[0053] En variante ou en complément, tel qu’illustré sur la figure 4, le cadre de rigidification 25 peut comporter en outre une deuxième paroi horizontale 29' parallèle à la paroi horizontale 29 de façon à présenter une section transversale en forme de C ou en C inversés.
[0054] En variante ou en complément, tel qu’illustré sur la figure 4, la deuxième paroi horizontale 29' s'étend entre la première paroi verticale 30 et la deuxième paroi verticale 30' de façon à présenter une section transversale de forme rectangulaire ou carrée.
[0055] De préférence, le cadre de rigidification 25 est réalisé dans un matériau métallique. Le matériau du cadre de rigidification 25 a un coefficient d'expansion thermique identique ou proche d'un coefficient d'expansion thermique du substrat 11 . Plus spécifiquement, le matériau du cadre de rigidification 25 a un coefficient d'expansion thermique identique ou proche d'un coefficient d'expansion thermique de la plaque métallique du substrat 11 dans le cas d'un substrat de type SMI.
[0056] Une telle configuration permet de limiter un effet de dilatation différentielle entre le cadre de rigidification 25 et le substrat 11 .
[0057] De préférence, pour un substrat de type SMI comportant une plaque de cuivre, le cadre de rigidification 25 est également réalisé en cuivre.
[0058] Il est également possible d'utiliser des matériaux différents mais ayant des coefficients d'expansion thermique proches de la plaque métallique du substrat 11.
[0059] Par exemple, pour un substrat 11 de type SMI comportant une plaque en cuivre, le cadre de rigidification 25 peut être réalisé en aluminium ou en acier inoxydable. [0060] Il est alors possible qu’un traitement de surface soit nécessaire pour que le cadre de rigidification 25 soit compatible avec le matériau métallique du substrat 11.
[0061 ] Les figures 3a et 3b sont respectivement des vues de dessus et en coupe selon un plan de coupe B-B du module de puissance 10 selon l'invention comportant le cadre de rigidification 25 susceptible d’être pourvu d’au moins un point d’assemblage 35, notamment un point de brasure ou de soudure 35. Dans le mode de réalisation présenté aux figures 3a et 3b, le point d’assemblage 35 est disposé entre deux côtés opposés du cadre de rigidification 25.
[0062] Par « point de brasure ou de soudure 35 », il est entendu une zone de brasure ou de soudure de faible dimension, par exemple une surface de l’ordre d’une dizaine à une centaine de millimètre carrés.
[0063] Le point d’assemblage 35 peut être réalisé sur une portion de contact 36 issue d'une branche 37 du cadre de rigidification 25. La branche 37 du cadre de rigidification 25 s'étend, par exemple, longitudinalement entre deux côtés opposés du cadre de rigidification 25.
[0064] En particulier, la branche 37 du cadre de rigidification 25 est apte à s'étendre au moins partiellement entre les deux côtés opposés du cadre de rigidification 25.
[0065] Notamment, la branche 37 du cadre de rigidification 25 peut être perpendiculaire et reliée mécaniquement à au moins un des deux côtés du cadre de rigidification 25.
[0066] En vue en coupe, la portion de contact 36 présente une paroi horizontale 40, sur laquelle est réalisée le point d’assemblage 35, et une paroi verticale 41 , issue de la paroi horizontale 40 et reliée à la branche 37 du cadre de rigidification 25.
[0067] La portion de contact 36 peut présenter, par exemple, une section transversale en forme de T ou une section en forme de L. [0068] En fonction de l’environnement extérieur dans lequel est disposé le module de puissance 10, notamment un degré de pollution important, un capot de protection 44 peut être disposé pour protéger les composants électroniques 13, en particulier les composants électroniques 13 sensibles, notamment vis-à-vis des poussières et des salissures de l’environnement extérieur, tel que cela est montré sur la figure 4.
[0069] Le capot de protection 44 est apte à être fixé sur le cadre de rigidification 25.
[0070] Le capot de protection 44 comporte avantageusement des formes, comme, par exemple, des formes en queue d’aronde, destinées à coopérer avec des formes complémentaires réalisées sur le cadre de rigidification 25. Le capot de protection 44 peut ainsi être monté par encliquetage sur le cadre de rigidification 25 pour simplifier l’opération d’assemblage.
[0071] Alternativement, le capot de protection 44 peut être fixé sur le cadre de rigidification 25 par d’autres moyens de fixation, notamment par vissage ou collage ou tout autre moyen de fixation adapté.
[0072] La figure 4 est une vue schématique en coupe du module de puissance 10 monté sur un dissipateur thermique 15.
[0073] A cet effet, le cadre de rigidification 25 peut comporter au moins une interface de montage 45, apte à permettre un passage d'un organe de fixation 46, tel qu'une vis, afin d’assurer une fixation du module de puissance 10 sur le dissipateur thermique 15.
[0074] L’interface de montage 45 peut prendre la forme d'oreilles saillantes muni d'un trou de passage pour l’organe de fixation 46.
[0075] Suivant un mode de montage alternatif ou complémentaire, le cadre de rigidification 25 peut comporter une paroi d'appui 49 contre laquelle vient en appui un dispositif d’encliquetage 50 permettant de plaquer le module de puissance 10 contre le dissipateur thermique 15. [0076] A cet effet, la paroi d'appui 49 peut être constituée par la deuxième paroi horizontale 29', apte à former la section transversale de forme carrée ou rectangulaire du cadre de rigidification 25.
[0077] Plus généralement, la paroi d'appui 49 est une paroi formant un angle non nul, valant de préférence 90 degrés, par rapport à la première paroi verticale 30.
[0078] Le dispositif d’encliquetage 50 comporte au moins une lame flexible 51 destinée à venir en appui contre la paroi d’appui 49 du cadre de rigidification 25.
[0079] Ainsi, un opérateur est susceptible d’écarter par déformation élastique la lame flexible 51 par rapport au dissipateur thermique 15, de façon à libérer un espace pour une mise en place du module de puissance 10.
[0080] Une fois le module de puissance 10 en place contre le dissipateur thermique 15, l'opérateur relâche la lame flexible 51 , de telle façon à ce que la lame flexible 51 vienne en appui contre la paroi d'appui 49 en exerçant un effort de placage sur le module de puissance 10.
[0081] Le module de puissance 10 est alors maintenu plaqué contre le dissipateur thermique 15 par la lame flexible 51 .
[0082] La figure 5 est un diagramme des étapes d’un procédé de fabrication du module de puissance 10 selon la présente invention.
[0083] Le procédé de fabrication comporte au moins une étape de positionnement 100, au cours de laquelle les composants électroniques 13 et le cadre de rigidification 25 sont positionnés sur le substrat 11 .
[0084] Le procédé de fabrication comporte également au moins une étape d’assemblage 101 , au cours de laquelle le cadre de rigidification 25 et les composants électroniques 13 sont assemblés, notamment brasés, sur le substrat 11 . L’étape d’assemblage 101 peut notamment être par une technique de brasure par refusion ou toute autre technique adaptée. [0085] Le cadre de rigidification 25 peut être assemblés, notamment brasé, sur le substrat 11 en même temps que les composants électroniques 13. Lors de l’assemblage, notamment la brasure, du cadre de rigidification 25 sur le substrat 11 , il est possible de maintenir le substrat 11 à plat pour lui imposer une courbure nulle.
[0086] En cas d’assemblage par brasure, cette dernière est de préférence réalisée sur toute la périphérie du cadre de rigidification 25.
[0087] Le procédé de fabrication comporte également au moins une étape d’encapsulage102, au cours de laquelle le matériau de d'encapsulation 20, tel que du gel, est déposé, et en particulier polymérisé, dans l'espace d'encapsulation 26 délimité par le cadre de rigidification 25.
[0088] Le procédé de fabrication peut également comporter au moins une étape de capotage 103, au cours de laquelle le capot de protection 44 est monté sur le cadre de rigidification 25.
[0089] Le procédé de fabrication peut également comporter au moins une étape de fixation 104, au cours de laquelle le module de puissance 10 est assemblé sur le dissipateur thermique 15, en particulier par vissage et/ou encliquetage.
[0090] Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.
[0091] En outre, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment et fournis uniquement à titre d'exemple. Elle englobe diverses modifications, formes alternatives et autres variantes que pourra envisager l'homme du métier dans le cadre de la présente invention et notamment toutes combinaisons des différents modes de fonctionnement décrits précédemment, pouvant être pris séparément ou en association.

Claims

REVENDICATIONS
1. Module de puissance (10) comportant:
- un substrat (11 ),
- des composants électroniques (13) reportés sur le substrat (11 ), le module de puissance (10) comportant en outre:
- un cadre de rigidification (25) assemblé, notamment brasé, sur le substrat (11) et s’étendant au moins partiellement autour des composants électroniques (13), de façon à délimiter un espace d'encapsulation (26), et
- un matériau d'encapsulation (20) disposé à l’intérieur de l’espace d'encapsulation (26) pour enrober les composants électroniques (13),
- caractérisé en ce que le substrat (11) est un substrat métallique isolé, et en ce que le cadre de rigidification (25) est réalisé dans un matériau métallique présentant un coefficient d'expansion thermique identique ou proche d'un coefficient d'expansion thermique du substrat (11 ).
2. Module de puissance (10) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le cadre de rigidification (25) comporte
- au moins une paroi horizontale (29), s'étendant parallèlement à un plan d’extension du substrat (11), et/ou
- au moins une paroi verticale (30), s'étendant dans un plan vertical par rapport au substrat (11).
3. Module de puissance (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cadre de rigidification (25) comporte au moins un point d’assemblage (35) disposé entre deux côtés opposés du cadre de rigidification (25).
4. Module de puissance (10) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le point d’assemblage (35) est réalisé sur une portion de contact (36) issue d'une branche (37) du cadre de rigidification (25) s'étendant au moins partiellement entre les deux côtés opposés du cadre de rigidification (25).
5. Module de puissance (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’un capot de protection (44) est fixé sur le cadre de rigidification (25).
6. Module de puissance (10) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le capot de protection (44) comporte des formes destinées à coopérer avec des formes complémentaires réalisées sur le cadre de rigidification (25), de façon à permettre un montage par encliquetage du capot de protection (44) sur le cadre de rigidification (25).
7. Module de puissance (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau d'encapsulation (20) est un gel d’encapsulation.
8. Ensemble comportant un module de puissance (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 et un dissipateur thermique (15).
9. Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce que le cadre de rigidification (25) comporte au moins une interface de montage (45) permettant un passage d'un organe de fixation (46) assurant une fixation du module de puissance (10) sur le dissipateur thermique (15).
10. Ensemble selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le cadre de rigidification (25) comporte une paroi d'appui (49) contre laquelle vient en appui un dispositif d’encliquetage (50) permettant de plaquer le module de puissance (10) contre le dissipateur thermique (15).
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