FR2737608A1 - Dispositif electronique de puissance pourvu de moyens ameliores d'evacuation de la chaleur - Google Patents

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Alain Petitbon
Eric Ranchy
Juan Gonzalez
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Abstract

Dispositif électronique de puissance comprenant au moins un composant électronique de puissance (1), monté sur un support isolant et conducteur de la chaleur. Ce dispositif est pourvu de moyens d'évacuation de la chaleur. Le support et les moyens d'évacuation de la chaleur constituent une seule et même pièce (12) qui est un radiateur en un matériau isolant et bon conducteur de la chaleur, l'AIN par exemple.

Description

La présente invention concerne un dispositif électronique de puissance comprenant au moins un composant électronique de puissance, monté sur un support isolant et conducteur de la chaleur, ce dispositif étant pourvu de moyens d'évacuation de la chaleur.
Un composant électronique de puissance, dans l'énoncé ci-dessus, est un composant du type transistor (GTO, TRIAC,
IGBT...) capable de conduire (ou au contraire de bloquer) un courant important, donc susceptible de dégager une quantité importante de chaleur.
Aux niveau de puissance considérés, les moyens d'évacuation de la chaleur de types radiatif ou convectifs sont insuffisants. Il est nécessaire de mettre en oeuvre une évacuation de la chaleur par conduction.
Dans de nombreuses applications, plusieurs composants électroniques de puissance sont associés entre eux et à des composants passifs (inductances, condensateurs, diode...) dans une structure hybride comprenant un support associant mécaniquement les composants ; ce support est fait d'un matériau isolant, pour préserver l'autonomie électrique des composant et apte à conduire la chaleur dégagée par les composants, jusqu'à un fluide de refroidissement qui 1 'évacue.
Un dispositif électronique de puissance connu de ce type est représentée à la figure 1.
On y voit des composants électroniques de puissance, dont un composant actif 1 et un composant passif 2. Le composant actif 1, tel qu'un transistor de type IGBT, est monté sur une semelle de composant 3, conductrice de l'électricité et de la chaleur, en cuivre par exemple, tandis que le composant passif peut être une simple piste conductrice 4, également en cuivre. L'un et l'autre sont montés sur un support commun 5 en nitrure d'aluminium (A1N).
La semelle de composant 3 et la piste conductrice 4 peuvent être réalisées à partir d'une couche de cuivre obtenue sur toute la surface du support commun 5 en A1N par la technique connue sous la dénomination DCB (de l'anglais "Direct Copper Bonding"), dont seules les parties indiquées en 3 et 4 subsistent après enlèvement, par exemple par attaque chimique, des parties indésirables.
Le montage du composant 1 sur sa semelle 3 est assuré par un brasage 6 (les épaisseurs cuivre et de brasure ont été exagérées pour une meilleure lisibilité du dessin). Le support commun 5 dont la surface inférieure est également revêtue de cuivre par la technique DCB, est lui-même monté par brasage 8, sur une semelle métallique 9, en un métal bon conducteur de la chaleur, tel que le cuivre, lequel est accolé (en contact sous pression par exemple) à un radiateur métallique 10, un bloc d'aluminium, par exemple, percé de conduits 11 dans lesquels circule un fluide caloporteur qui peut être de l'eau.
Dans une telle structure, pour diminuer la résistance thermique on a intérêt, comme représenté sur la figure, à ce que la surface des éléments ou parties d'éléments conduisant la chaleur aille en augmentant, depuis la source de chaleur, le composant 1 par exemple, jusqu'au radiateur 10. C'est ainsi que la semelle de composant 3 est plus grande que le composant 1, la place qu'elle occupe sur le support commun 5 est plus grand encore et la semelle métallique 9 est plus grande que le support commun 5. Cela améliore l'écoulement de la chaleur, au prix d'un accroissement de l'encombrement et du coût.
Par ailleurs, si l'on suppose que le liquide de refroidissement est conducteur de l'électricité, c'est- & dire à la masse, le support commun 5 doit être assez épais pour supporter la différence de potentiel entre le composant soumis à la tension la plus élevée et la masse. Cela va également dans le sens d'un accroissement de l'encombrement et du coût. Les réalisations employant un liquide de refroidissement non conducteur de l'électricité (eau des ionisée ou fréon) sont quant à elles encore plus coûteuses et délicates à mettre en oeuvre.
En pratique, les tensions s'élevant, les problèmes thermiques deviennent prépondérants dans la réalisation des circuits hybrides de puissance et toute amélioration dans ce domaine est hautement souhaitable.
La présente invention vise ainsi à améliorer un dispositif tel que présenté au début de ce texte dans ses performances d'évacuation de la chaleur et, par suite, à en permettre une réduction de volume et de coût.
L'invention atteint cet objectif dans un dispositif électronique de puissance comprenant au moins un composant électronique de puissance, monté sur un support isolant et conducteur de la chaleur, ce dispositif étant pourvu de moyens d'évacuation de la chaleur, qui se caractérise en ce que ledit support et lesdits moyens d'évacuation de la chaleur constituent une seule et même pièce qui est un radiateur en un matériau isolant et bon conducteur de la chaleur.
De préférence, ledit radiateur est en A1N et a fait l'objet, à l'endroit où est monté un composant électronique de puissance au moins, d'un métallisation par laser.
Dans une forme de réalisation, la métallisation par laser supporte une couche de cuivre constituant entre autres une semelle de composant à laquelle est couplé ledit composant électronique de puissance, de préférence par brasage.
Les différents objets et caractéristiques de l'invention seront maintenant détaillés dans la description qui va suivre d'un exemple de mise en oeuvre de l'invention, fourni à titre non limitatif, en se référant aux figures annexées qui représentent
- la figure 1, déjà décrite, une vue latérale en coupe d'un dispositif électronique de puissance connu,
- la figure 2, une vue latérale en coupe similaire d'un dispositif électronique de puissance conforme à l'invention.
On retrouve à la figure 2, tout comme précédemment sur la figure 1, un composant électronique de puissance 1 sur une semelle de composant 3 et un autre composant 2, montés sur un support commun, isolant et conducteur de la chaleur, le couplage entre le composant 1 et la semelle de composant 3 étant assuré par un brasage 6. Toutefois, ce support commun est un radiateur 12 en un matériau isolant et bon conducteur de la chaleur, en A1N par exemple, comprenant des conduits de liquide de refroidissement 13. Ce radiateur, en une seule et même pièce, joue à la fois le rôle de support et celui de moyen d'évacuation de la chaleur.
De préférence, il a fait l'objet d'une métallisation par laser, aux endroits appropriés, sur laquelle une couche de cuivre a été déposée, pour constituer la semelle de composant 3 et la piste conductrice 4.
Le dimensionnement du radiateur 12 est tel que soient résolus les problèmes de tenue en tension entre le liquide de refroidissement et les métallisations supportant les composants, de sorte que le liquide de refroidissement est de l'eau ordinaire.
On voit tout de suite que l'invention réduit le nombre d'interfaces entre un composant source de chaleur et le fluide de refroidissement qui l'évacue, ce qui améliore considérable l'efficacité du refroidissment. De plus, la distance entre les composants et les conduits de fluide est réduite, ce qui entrain une réduction de volume du dispositif. Enfin, la réduction du nombre de pièces et corrélativement des opérations de montage du dispositif contribue à la réduction de son coût.
La réalisation du dispositif de la figure 2 n'emploie par ailleurs que des moyens connus. Le radiateur peut être dans l'une des céramiques conductrices de la chaleur, notamment en ALN, mentionnées dans la demande de brevet français n02692887. C'est un bloc moulé puis fritté de ce matériau céramique. Les méthodes disponibles pour réaliser les métallisations sont discutées dans la demande de brevet ci-dessus mentionnée. Pour le reste les techniques employées sont des techniques de brasage classiques.

Claims (5)

REVENDICATIONS
1. Dispositif électronique de puissance comprenant au moins un composant électronique de puissance (1), monté sur un support isolant et conducteur de la chaleur, ce dispositif étant pourvu de moyens d'évacuation de la chaleur, caractérisé en ce que ledit support et lesdits moyens d'évacuation de la chaleur constituent une seule et même pièce (12) qui est un radiateur en un matériau isolant et bon conducteur de la chaleur.
2. Dispositif électronique de puissance conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que ledit radiateur (12) est en A1N.
3. Dispositif électronique de puissance conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que ledit radiateur a fait l'objet, à l'endroit où est monté un composant électronique de puissance au moins (1), d'une métallisation par laser.
4. Dispositif électronique de puissance conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que la métallisation par laser supporte une couche de cuivre constituant entre autres une semelle de composant (3) à laquelle est couplé ledit composant électronique de puissance (1).
5. Dispositif électronique de puissance conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que le dit couplage est réalisé par brasage (6).
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