FR2479637A1 - Structure d'element resistif a echauffement controle, et circuit hybride comportant un tel element - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN ELEMENT RESISTIF DONT LA STRUCTURE EST REALISEE DANS LE BUT DE CONTROLER L'ECHAUFFEMENT DE L'ELEMENT AFIN DE DISSIPER LA CHALEUR DEGAGEE DANS LE SUBSTRAT, SOIT EN UN POINT, SOIT SUR UNE ZONE ETALEE. L'ELEMENT RESISTIF, DEPOSE SUR UN SUBSTRAT 1 QUI PEUT CASSER, ENTRE DEUX CONDUCTEURS D'ACCES 2, COMPREND UNE PREMIERE COUCHE CONDUCTRICE 3 SUR LAQUELLE SONT DEPOSEES UNE OU PLUSIEURS SECONDES COUCHES 4 ET 5, DONT LA GEOMETRIE LAISSE EN PARTIE A NU LA PREMIERE COUCHE 3. LES RESISTIVITES ET EPAISSEURS DES PREMIERE ET SECONDE COUCHES SONT VARIABLES. SI LA SECONDE COUCHE NE LAISSE A NU QU'UNE SEULE REGION 6 DE LA PREMIERE COUCHE, L'ECHAUFFEMENT EST MAXIMUM DANS CETTE REGION 6. SI LA PREMIERE COUCHE EST A NU EN PLUSIEURS REGIONS, L'ECHAUFFEMENT EST REPARTI. APPLICATION AUX CIRCUITS HYBRIDES COMPORTANT DES RESISTANCES SOUMISES A DES SURCHARGES EN COURANT.

Description

La présente invention concerne des éléments rEsis- tifs dont la structure a été étudiée afin de contrôler l'échauffement sous charge électrique et plus particulièrement au cours des surcharges. Selon la géométrie adoptée pour la structure selon 1'invention, la chaleur dégagée par effet Joule par de tels éléments résistifs est dissipée soit de façon régulière sur toute la surfa ee de l'élément résistif, soit de façon localisée dans une région restreinte choisie d'avance.

Par élément résistif, il faut entendre les résistances à caractéristiques linéaires ou non linéaires, telles que les résistances a coefficient de température négatif, ou positif, ou les résistances dont la valeur dépend de la tension appliquée : pour simplifier l'expo- sé, le terme de résistance sera utilisé dans le texte qui suit dans pour autant etre restrictif aux résistances d caractéristiques linéraires. D'autant plus que ce sont surtout les résistances linéaires qui sont utilisées dans le cas de la présente invention.

La structure selon l'invention s'applique essentiellement aux résistances déposées sur des substrats de circuits hybrides. Les substrats couramment utilisés sont sensibles aux chocs thermiques parce qu'ils sont constitués le plus fréquemment de plaques d'alumine, de céramique ou de verre : la particularité de l'invention est de ne considérer que le cas des surcharges électriques, lesquelles sont critiques pour les substrats précités.

Lorsqu'une résistance déposée sur un substrat est soumise a une surcharge en courant deux cas sont S envisager, selon que le dispositif a protéger est le circuit hybride lui-même, et par conséquent son substrat dont il faut éviter la rupture par choc thermique, ou que le dispositif à protéger est un système électronique beaucoup plus complexe que l'on protège par un circuit hybride spécialement conçu, lequel fait fonction de fusible par l'intermédiaire de son substrat qui casse brutalement sous le choc thermique.

A titre de premier exemple d'élément résistif à échauffement contrôlé, on citera sans que cela soit limitatif, les résistances montées en parallèle avec une résistance à coefficient de température positif dite CT? > devant supporter une tension élevée jusqu'à ce que la CT? bascule.

Dans ce cas > le problème consiste & éviter que le substrat sur lequel sont déposées les résistances ne casse, le mécanisme de rupture du substrat étant réglé par un gradient de température dans l'espace entre le point chaud de la résistance et le substrat.

La solution connue actuellement consiste E surdimensionner de telles résistances montées en parallèle avec une CT? > ce qui outre le coût plus élevé du produit final, entraine comme inconvénient une augmentation de la surface occupée par les résistances à la surface du substrat et ne conduit pas S un rendement optimun en raison des tolérances rencontrées en fabrication.

Un second exemple d'élément résistif a échauffement contrôlé est donné par les fusibles a tres haute impédance. Lorsque le matériel est assez complexe, on peut envisager de le protéger par un circuit hybride spécial qui fait fonction de fusible a très haute impédance d'une part, et a très grande vitesse d'autre part et la ou les résistances déposées sur ce circuit hybride spécial, sont conçues pour faire casser le substrat en cas de surcharge en courant. Actuellement, un tel résultat est obtenu en sous-dimensionnant les résistances.Cependant, la maîtrise des mécanismes de transfert de phonons, dans un matériau polycristallin comme l'alumine ou une céramique, est incomplète et surtout la durée avant laquelle le substrat doit casseur, de quelques secondes à quelques dizaines de secondes, est très imprécise, et de toute façon trop lente. En effet, les résistances déposées sur substrat selon la technologie dite des couches épaisses, sont constituées d'oxydes métalliques et sont essentiellement des matériaux réfractaires. Par conséquent, il est illusoire de compter sur la vaporisation de la résistance sous l'effet d'une surcharge cette vaporisation est beaucoup trop lente, si tant est qu'elle s'effectue, et le dispositif électronique complexe qui est placé en aval du circuit hybride fusible est détérioré avant que la résistance ne se rompe.

L'invention résoud ces problèmes de surdimensionne ment s ou sous-dimensionnements des résistances et de vitesse de réponse au moyen d'une structure de résistance déposée constituée de plusieurs couches réparties en plusieurs zones R résistivité variable. Ces couches et ces zones étant conçues et déposées de façon à moduler la puissance dans la résistance et S localiser les dégagements de chaleur en des endroits quelconques mais déterminables aisément par le calcul et l'expérimenta- tion. Ces structures de résistances utilisent des pâtes résistives qui déterminent ainsi des zones à gradient de résistivité donc à gradient de puissance, et finalement à gradient-de dégagement thermique.

De façon plus précise, l'invention consiste en une structure d'élément résistif à échauffement contrôlé, déposé sur un substrat polycristallin et comportant deux conducteurs d'accès, caractérisé en ce que l'élément résistif est constitué par une première couche d'épaisseur e1 d'un matériau d'une première résistivité déposée entre les deux conducteurs d'accès, dans laquelle la dissipation thermique est modulée en au moins deux zones, la modulation étant obtenue au moyen d'une rodification locale, dans le sens de l'épaisseur, de la résistance de l'élément résistif.

L'invention sera mieux comprise par la description de quelques réalisations qui va suivre, laquelle s'appuie sur des figures qui représentent
- figure 1 : une vue dans l'espace d'une résistance ayant la structure selon l'invention,adaptée au cas où la chaleur doit être focalisée dans une région restreinte.

- figure 2 : une vue dans l'espace d'un fragment de structure selon l'invention adaptée au cas où la chaleur doit être régulièrement dégagée sur une surface.

- figure 3 : un perfectionnement à l'invention dans le cas où la chaleur dégagée doit être focalisée en un point.

La figure 1 représente la structure d'un élément résistif selon l'invention. De façon R se trouver dans un cas simple à exposer, la structure choisie pour expliquer l'invention correspond au cas simple où la chaleur dégagée par la résistance en surcharge doit être localisée dans une région de petite dimension.

Sur un substrat 1, et par dessus les deux conducteurs 2 d'entrée et de sortie de l'élément résistif considéré, est déposée une première couche épaisse résistive 3, selon une géométrie généralement proche d'un rectangle ou, de façon plus générale, d'un parallélépipède. La couche 3 assure les contacts ohmiques avec les deux conduc teurs d'entrée et de sortie 2. Par dessus cette première couche 3 est déposée une seconde couche, laquelle ne recouvre que partiellement la première couche 3, laissant a nu une ou plusieurs zones de celle-ci.C'est ainsi que, dans l'exemple choisi pour exposer l'invention, dans lequel la chaleur dégagée doit être localisée dans une petite région pour faire casser le substrat, la seconde couche est divisée en deux couches partielles 4 et 5, localisées en extrémités de l'élément résistif, S proximité des conducteurs 2. Ainsi, et vue en plan, la résistance est composée de trois zones, deux zones extrêmes composées chacune de deux couches 3 et 45 du côté d'un premier conducteur, 3 et 5 du côté d'un second conducteur, et une zone 6 située entre les deux précédentes, zone dans laquelle la résistance ne comporte qu'une seule couche, la couche 3 qui est laissée a nu.

En outre, la couche 3 d'une part et les couches partielles 4 et 5 d'autre part, ont des épaisseurs qui peuvent être variables, selon le but recherché, et sont de toutes façons constituées en matériaux de résistivités p différentes : si el est l'épaisseur de la eouche 3 de résistivité P1, e2 est l'épaisseur des couches 4 et 5 de résistivité p2.

L'élément résistif ainsi réalisé est donc Equiva- lent structurellement å une suite de trois résistances R1 > R2 et R3 montées en série.

Si, comme le représente la figure -1, le But recher ehé est de réaliser un fusible et par conséquent de localiser le dégagement~ calorifique dans une région restreinte, pour faire casser le substrat5 il faut avoir simultanément R1 < R2 et R3 < R2 ou encore parmi plusieurs solutions possibles
soit p2 < p1 avec e1 = e2
soit p2 p1 avec e2 > e1 cette seconde solution correspondante S une couche unique dont l'épaisseur est localement variable.

Si I est l'intensité qui traverse la résistance au cours de la surcharge, la puissance globale dissipée est égale a la somme des puissances dissipées dans chacune des sections de la résistance
P = R1 I2 f R2 I2 + R2 I2,
Comme R2 est très supérieur à R1 et a R3, la puissance est surtout dissipée dans la section centrale de la résistance, ce qui fait casser le substrat.

La figure 2 représente,un cas de structure derivée de la figure 1, lorsque le résultat recherché est, au contraire de l'exemple précédent, de répartir la dissipation calorifique sur une grande surface de substrat, afin de réduire le gradient thermique et d'éviter la rupture du substrat.

Pour mettre en évidence la différence de géométrie adoptée, la figure 2 représente une coupe transversale de la résistance déposée sur le substrat 1. Entre les conducteurs 2 se trouve toujours une première couche résistive 3 dont on notera p1 la résistivité et e1 l'épais- seur. Mais dans le but de contrôler la dissipation thermique, celle-ci est assurée par une pluralité de zones 6, séparées entre elles par une pluralité de couches partielles 7, 8, 9 ... etc, de résistivité p2 et d'épaisseur e2.

Trois couches 7, 8 et 9 sont représentées d titre explicatif sur la figure 2, mais il est évident que ce nombre n'est pas absolu et que la seconde couche peut être en fait composée par un plus grand nombre de couches partielles résistives 7, 8, 9 ... etc, constituant une grille, les points chauds étant situés entre les mailles de cette grille. Cette structure permet alors de moduler la puissance et de diminuer le gradient de température puisque les calories dégagées a travers le substrat 1 sont dégagées S partir d'une'pluralité de régions, dispersées dans un plan.

Entre dans le cadre de la présente invention, le cas où la seconde couche n'est cqnstituEe que par une seule bande, ctest-d-dire le cas inverse de ce qui a été re présenté et exposé à la figure 1. Il n'y a alors plus qu'unie seule seconde couche déposée au centre sur une première couche 3, et et dans ce cas, il faut que, pour éviter un gradient athermique, on ait R2 < R1 et R2 < R.

La partie centrale de la résistance étant moins rE- sistive, dissipe moins de chaleur, laquelle est dises; pée dans les deux zones à proximité des conducteurs.

La figure 3 représente un perfectionnement d l'invention qui a été décrite jusqu'S présent en se basant sur les cas simples d'éléments résistifs rectangulaires et de seconde couche déposée sous forme de bandes elle s- mêmes rectangulaires. C'est ainsi que les couches partielles déposées sur la première couche peuvent avoir des formes optimisées en fonction du résultat recher ché, de façon par exemple R localiser le point chaud au centre de la zone centrale qui a été appelée 6 sur la figure 1, ou de façon, au contraire, a irradier la chaleur dégagée par les couches résistives sur la plus grande surface possible de l'élément > en adoptant des formes pour la seconde couche telle que celle d'une étoile S plusieurs branches.

A titre d'exemple, la figure 3 représente un élément résistif vu en plan. I1 est constitué par une première couche résistive 3 déposée en contact ohmique avec deux conducteurs 2 d'accès, et il comporte dans sa partie centrale une zone 10, qui est une partie de la couche 3 laissée S nu. Cette zone 10 a la particularité d'avoir une forme voisine de celle d'une ellipse, obtenue par la forme des secondes couches partielles 11 et 12, ce qui crée au centre du paral lélépipède représenté par la couche 3, un point chaud qui initiera la rupture du substrat.

D'autres exemples pourraient être donnés avec des configurations inverses de celles de la figure 3, destinées a irradier les calories dégagées de suçon à optimiser les gradients de température.

La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits ci-dessus ; elle en inclut les diverses variantes et généralisations comprises dans le domaine des revendications ci-après.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Structure d'élément résistif S échauffement contrôlé, déposé sur un substrat polycristallin (1), et comportant deux conducteurs d'accès (2), caractérisée en ce que l'élément résistif est constitué par une première couche (3) d'épaisseur e1, d'un matériau d'une première résistivité (P1), déposée entre les deux conducteurs d'accès (2), dans laquelle la dissipation thermique est modulée en au moins deux zones, la modulation étant obtenue au moyen d'une modification locale, dans le sens de l'épaisseur, de la résistance de l'élément résistif.

2. Structure d'élément résistif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la modulation de dissi pation thermique est obtenue au moyen dtau moins une seconde couche (4), d'épaisseur e2, d'un matériau d'une seconde résistivité (P2), déposée sur la première couche (3), cette seconde couche étant partielle et laissant a nu au moins une zone (6) de la première couche.

3. Structure d'élément résistif selon la revendication 2, caractérisée en ce que la seconde couche comporte deux régions (4 et 5) laissant S nu une seule région centrale (6) de la première couche (3), dans laquelle la puissance dissipée est maximale, et la chaleur dégagée vers le substrat (î) au cours de surcharges en courant est concentrée localement.

4. Structure d'élément résistif selon la revendication 2, caractérisée en ce que la seconde couche comporte une pluralité de régions laissant a nu une pluralité de régions (6) de la première couche (3) parmi lesquelles la puissance dissipée est modulée, et la chaleur dégagée vers le substrat (1) est répartie.

5. Circuit hybride, caractérisé en ce qutil comporte au moins un élément résistif selon l'une quelconque des revendications I a 4.