FR2706730A1 - Module électronique de puissance ayant un support d'évacuation de la chaleur. - Google Patents

Module électronique de puissance ayant un support d'évacuation de la chaleur. Download PDF

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Abstract

Le module électronique comprend un circuit imprimé souple double face collé sur un substrat métallique par un adhésif isolant électrique et conducteur thermique. Le circuit imprimé a une partie qui déborde du substrat et qui est munie de moyens de connexion électrique. La face du circuit imprimé éloignée du substrat métallique (16) porte des pavés métalliques (34) de réception de composants de puissance tandis que la face du circuit imprimé en regard du substrat porte des contre-pavés métalliques (40) et est réalisée en gravure anglaise.

Description

MODULE ELECTRONIOUE DE PUISSANCE AYANT UN SUPPORT
D'EVACUATION DE LA CHALEUR
La présente invention concerne les modules électroniques de puissance comprenant un support destiné & recevoir et à relier des composants discrets dégageant, en fonctionnement, de la chaleur qui doit être dissipée et par ailleurs à évacuer cette chaleur.
L'invention trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans le domaine autoo- bile qui requiert de plus en plus de circuits électroniques de puissance placés dans des zones à température élevée, où l'évacuation de la chaleur ne peut pratiquement être faite que par conduction entre le support appartenant au module et une pièce sur laquelle le module est fixé, pouvant être constituée par le fond d'un boîtier.
On a déjà proposé diverses constitutions de modules électroniques visant à atteindre ce résultat, où le support comprend un substrat métallique, une couche de matériau isolant et un réseau conducteur portant les composants discrets. Des pellicules adhésives sont interposées entre les différentes couches.
Cette constitution sandwich donne au support une résistivité thermique élevée. Elle conduit, pour beaucoup d'applications, pour les températures habituelles de la pièce sur laquelle est fixé le module, à une température excessive pour les parties actives des composants de puissance lors du fonctionnement du module.
La présente invention vise notamment a fournir un module électronique répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il présente une résistance thermique beaucoup plus faible.
L'invention propose dans ce but un module électronique à substrat métallique à'évacuation de la chaleur, comprenant un circuit imprimé souple au moins double-face collé sur le substrat par un adhésif isolant électrique et conducteur thermique, ledit circuit imprimé ayant une partie qui déborde du substrat et qui est munie de moyens de connexion électrique, la face du circuit imprimé éloignée du substrat portant des pavés métalliques de réception de composants de puissance tandis que la face du circuit imprimé en regard du substrat porte des contre-pavés métalliques d'évacuation de la chaleur et est réalisée en gravure à marge isolante étroite.
Le circuit imprimé souple peut comporter, en plus de ses deux grandes faces portant des tracés conducteurs, une ou plusieurs couches métallisées intermédiaires, par exemple destinées à constituer des liaisons equipotentielles et des liaisons équipotentielles d'alimentation. L'adhésif pourra généralement être constitué comme un conducteur thermique satisfaisant dans la mesure où il ne provoque pas un gradient thermique supérieur à 2"C/W/cm2. L'utilisation d'une gravure à marge isolante étroite augmente encore la section droite de passage de la chaleur à travers le circuit imprimé. On peut notamment utiliser une gravure & marge isolante de largeur constante sur la majeure partie du circuit, c'est-à-dire la technologie couramment désignée par le terme de "gravure anglaise'1. Ce type de gravure peut n'être utilisé que dans les zones entourant les pavés.
Les contre-pavés ont avantageusement une surface supérieure a celle des pavés pour répartir sur une surface accrue la chaleur à évacuer à travers l'adhésif de liaison entre le circuit imprimé et le substrat. Des trous métallisés d'évacuation de la chaleur reliant les pavés aux contrepavés peuvent être remplis de métal ou simplement revêtus.
On connaît à l'heure actuelle des adhésifs ayant une conductivité thermique très élevée, du fait qu'ils contiennent des particules de diamant dispersées. Le prix très élevé de ce genre de colle conduira généralement à l'écarter et à lui préférer des adhésifs isolants chargés en particules de structure adiamantine, telles que notamment l'alumine et/ou le nitrure de bore ; ces adhésifs sont si possible préparés sous forme de feuilles afin de diminuer le court de fabrication.
Suivant un autre aspect de l'invention, cette dernière vise à écarter un problème supplémentaire, constitué par le risque de court-circuit par écoulement de brasure de fixation des composants discrets le long de creux allongés formant gouttière, entre les plots de fixation non protégés par des vernis épargne, dus aux épaississements que constituent les pistes métalliques sur la face du circuit imprimé qui est en regard du substrat.
Suivant cet aspect de l'invention, avantageusement utilisable avec le premier, mais pouvant l'être indépendamment, le risque de mise en court-circuit par le matériau de brasage est très considérablement réduit en évitant de placer des pistes métalliques à proximité immédiate du pourtour des contre-pavés, là où les fils ou pattes de liaison entre un composant et le substrat seront raccordes sur des plages de brasage ménagées sur la face opposée au substrat.
Les dispositions ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'une mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère au dessin qui l'accompagne, dans lequel
- la figure 1 est un schéma de principe, destiné a faire apparaître les constituants principaux d'un module suivant l'invention, un seul composant électronique et le début de quelques pistes seulement étant représentés et l'échelle n'étant pas respectée pour plus de clarté ; et
- la figure 2 est une vue en coupe éclatée, à grande échelle, montrant schématiquement les différents constituants du module, l'échelle n'étant encore pas respectée.
Le module 10 montré en figure 1 est destiné à être fixé sur une pièce 12 constituant puits de chaleur, par exemple à l'aide de vis 14. Cette pièce peut être le fond d'un boîtier. Le module peut être regardé comme comprenant un substrat métallique 16, généralement en cuivre ou en aluminium, ayant une épaisseur de quelques dixièmes de millimètre à quelques millimètres et un circuit imprimé souple double-face 18 collé sur le substrat et portant des composants électroniques discrets dont certains sont des composants de puissance 20 et certains sont des composants logiques 21.
L'invention est également applicable à un circuit multicouche ayant une ou plus fréquemment deux (ou même davantage) couches intermédiaires formées d'un réseau de pistes métalliques de masse et/ou d'alimentation.
Etant donné la tendance actuelle à l'augmentation de la densité d'implantation, les plages multiples de liaison des composants logiques seront généralement réparties avec un pas très faible, pouvant dans certains cas être inférieur à 0,5 millimètre.
Le circuit imprimé souple 18 comprend une partie qui déborde du substrat et qui est munie, généralement sur sa tranche, de moyens de connexion électriques 24 destinés à être raccordés à un connecteur qui peut être porté par un boîtier ou qui peut être le boîtier maintenant le circuit.
Le circuit imprimé sera généralement constitué par une feuille de polyimide qui peut être chargée et dont l'épais- seur sera généralement inférieure à 100 microns (les feuilles en résine époxy chargée étant souvent peu utilisables du fait qu'elles résistent mal, sous forme souple, aux températures élevées). Cette feuille porte sur chaque face des circuits, qui seront décrits en détail plus loin.
Le circuit imprimé 18 est fixé au substrat 16 par un adhésif isolant électrique 26, ayant une conductivité thermique aussi élevée que possible. On utilisera fréquemment une pellicule contenant un adhésif sec ayant une épaisseur adaptée à celle des pistes conductrices, chargé en alumine ou en nitrure de bore. Toutefois l'adhésif 26 peut également être constitué par une pellicule du produit d'adhésion proprement dit, tel qu'un matériau polyimide chargé en particules d'alumine et/ou de nitrure de bore ayant une granulométrie allant de 2 microns à quelques dizaines de microns, revêtu d'une couche très mince de cuivre sur chaque face.
La figure 2 montre avec davantage de détails le circuit imprimé double-face 18. Ce circuit comporte un substrat isolant 28 qui sera par exemple constitué en polyimide, chargé ou non, ayant généralement une épaisseur inférieure à 100 microns. Chacune des faces porte un circuit, habituellement constitué par photogravure d'une revêtement du cuivre, par exemple d'un revêtement de 70 microns, obtenu par un dépôt chimique suivi d'un épaississement électrolytique.
La face du circuit imprimé placée à l'opposé du substrat métallique 16 reçoit les composants discrets tels que les composants de puissance 20 et les composants logiques 21. Elle porte des pistes de routage et des pistes de liaison qui se terminent par des plages 30 de raccordement des fils ou des pattes 32 de liaison avec les sorties des composants 20.
Conformément à un aspect de l'invention, on réserve, au cours de la photogravure, sur la face éloignée du substrat métallique 16, des pavés 34 dont la surface est au moins égale à celle des composants 20, mais reste suffisamment faible pour ne pas gêner le raccordement des fils ou pattes 32. Dans la pratique, la surface d'un pavé ne dépassera pas plus de 50 * celle du composant de puissance correspondant.
La face du circuit imprimé qui est en regard du substrat métallique 16 est également réalisée par photogravure de façon à constituer d'une part des pistes de routage 36, qui peuvent être reliées à certaines des pistes de l'autre face par des trous de via 38, d'autre part des contre-pavés 40 placés sous les pavés 34 et de plus grande surface. Dans la pratique, on sera souvent amené à donner aux pavés 40 une surface comprise entre 120 et 200 % de la surface des pavés correspondants. Ces contre-pavés augmentent la surface de répartition de la chaleur dissipée par le composant et augmentent la section de passage de la chaleur à travers l'adhésif 26. Pour favoriser le transfert thermique entre chaque pavé 34 et le contre-pavé correspondant 40, des trous métallisés 42, remplis ou non de métal, seront généralement prévus à travers le substrat isolant 28.
Lorsque le substrat isolant 28 est mince, la surépaisseur constituée par les pistes de routage 36 provoque, à la surface du substrat isolant 28 écartée du substrat métallique 16, des ondulations orientées dans le sens des pistes de routage. Si de telles ondulations se placent sous les zones de soudage de fils 30 répartis avec un pas faible (ce qui est le cas pour la plupart des composants logiques) et sont orientées perpendiculairement à ces fils, elles risquent de provoquer un écoulement des billes de matériau de brasage. En effet, les ondulations ont généralement une largeur d'environ 0,1 millimètre et les billes de brasage un diamètre d'environ 30 microns.
Pour écarter ce risque, il est préférable d'éviter de placer des pistes de routage 36 dans une zone de largeur 9 autour des pavés 34. Cette largeur d sera généralement comprise entre 2 mm et 5 mm . Lorsque le routage est effectué en mettant en oeuvre un programme informatique, ce dernier peut aisément être adapté pour que cette condition soit automatiquement respectée,
Toujours pour augmenter la surface de transfert de chaleur entre le circuit imprimé et le substrat métallique 16, å travers l'adhésif 26, il est souhaitable de laisser subsister la plus grande surface possible de métallisation, au moins sur la face du circuit imprimé qui est en regard du substrat métallique 16. Pour cela, cette face (ainsi éventuellement que l'autre) est avantageusement réalisée en gravure dite anglaise, au moins autour des pavés. On sait que la gravure classique consiste à donner aux pistes conductrices une largeur constante et généralement aussi faible que possible. Au contraire, la gravure anglaise laisse subsister une surface conductrice aussi élevée que possible, en séparant les zones conductrices par des brèches de largeur généralement constante.
La gravure anglaise présente l'intérêt suppléXen- taire d'atténuer les problèmes liés au fluage de l'adhésif entre les pistes de cuivre et donc de permettre une épaisseur de pellicule adhésive valable quelle que soit l'épais- seur de cuivre constituant les pistes. La pression exercée lors du procédé d'assemblage des couches, en particulier à travers les contre-pavés, sur l'adhésif de liaison de la face inférieure tend au surplus à réduire localement l'épaisseur d'adhésif et donc la résistance thermique.
Les indications données ci-dessus sont également valables pour des circuits imprimés souples multicouche.Les couches intermédiaires comporteront elles aussi des contrepavés.
L'invention est susceptible de nombreuses autres variantes encore. En particulier le substrat métallique peut être constitué en deux fractions reliées par une fraction du circuit imprimé souple, qui constitue une charnière. Dans ce cas, il est possible de replier le module de façon que les deux fractions constituent des couvercles supérieur et inférieur.

Claims (9)

REVENDICATIONS
1. Module électronique à substrat métallique d'évacuation de la chaleur, comprenant un circuit imprimé souple, au moins double-face, (18) collé sur le substrat (16) par un adhésif isolant électrique et conducteur thermique, ledit circuit imprimé ayant une partie qui déborde du substrat et qui est munie de moyens de connexion électrique (24), la face du circuit imprimé éloignée du substrat portant des pavés (34) métalliques de réception de composants de puissance tandis que la face du circuit imprimé en regard du substrat porte des contre-pavés métalliques (40) et est réalisée en gravure a marge isolante étroite.
2. Module selon la revendication 1, caractérisé en ce que les contre-pavés ont une surface supérieure à celle des pavés.
3. Module selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les contre-pavés sont reliés aux pavés par des trous métallisés d'évacuation de la chaleur.
4. Module selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les trous métallisés d'évacuation de la chaleur sont remplis de métal.
5. Module selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le circuit imprimé n'est réalisé en gravure à marge isolante étroite que dans les zones entourant les pavés.
6. Module selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'adhésif est constitué par une feuille isolante chargée en particules de structure adiamantine, telles que l'alumine et le nitrure de bore.
7. Module selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface du circuit en regard du substrat métallique est dépourvue de pistes de routage à proximité des contre-pavés.
8. Module selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat métallique est constitué de deux parties reliées par une fraction du circuit imprimé, repliée de façon que les deux fractions du substrat constituent des couvercles supérieur et inférieur.
9. Module selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit imprimé souple est multicouche et en ce que les couches situées entre les faces comportent elles aussi des contre-pavés.
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