FR2991810A1 - Module electronique de puissance pourvu d'une couche de protection - Google Patents

Module electronique de puissance pourvu d'une couche de protection Download PDF

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Abstract

Module électronique comportant un circuit (1) ayant au moins un composant de puissance (11, 12) relié au circuit, le circuit étant recouvert d'un revêtement d'isolement électrique et d'étanchéité, caractérisé en ce que le revêtement est une couche de polyxylylène (30) agencée pour assurer une répartition de contraintes mécaniques et thermomécaniques au moins au voisinage de la liaison du composant de puissance au circuit.

Description

La présente invention concerne un module électronique de puissance. Le module est plus particulièrement un module électronique de puissance d'un équipement embarqué sur un véhicule aéronautique tel qu'un aéronef. Un tel module est soumis à des températures pouvant atteindre 225°C environ, des courants de l'ordre de la centaine d'ampères et des tensions de plusieurs milliers de volts.
Un module électronique de puissance comprend généralement un boîtier dans lequel est logé un circuit comportant des composants de puissance. Les composants de puissance sont reliés au circuit par des liaisons comportant des fils ayant une extrémité soudée à une plage du circuit et une extrémité opposée soudée à un plot du composant (ces liaisons sont usuellement appelées « bondings » ou « wirebondings »). Classiquement, les modules de puissance sont protégés vis à vis de perturbations diverses (particules conductrices libres, humidité...) par une couche d'un gel, par exemple de silicone ou d'époxy, généralement appliqué sur plusieurs millimètres d'épaisseur. L'efficacité de la protection procurée par le gel dépend de la maîtrise du remplissage pour atteindre le niveau de gel requis en évitant les bulles d'air et les coulures... Le remplissage est en outre une opération manuelle qui engendre un surcoût relativement important sur le prix de revient du module. Lors du vol, les modules de puissance d'un avion subissent de nombreux cycles thermiques : - lorsqu'ils doivent délivrer de la puissance (cyclage actif) ; - lors des phases de vol à forts gradients thermiques comme les atterrissages, décollages, freinages_ (cyclage passif).
Les amplitudes thermiques considérées peuvent s'étendent de - 60°C (pendant plusieurs heures en vol) à une valeur pouvant monter dans certains cas jusqu'à +225°C en raison de l'élévation de température des organes dissipatifs de l'avion et ce pour des milliers de cycles. A la température, s'ajoutent la propre dissipation thermique du module de puissance, des chocs et des vibrations à l'atterrissage qui peuvent engendrer une détérioration mécanique des équipements.
Les modules et circuits électroniques sont particulièrement sensibles à ce type de sollicitations. En particulier : - les variations de température provoquent des cycles de dilatations et contractions des composants des circuits, - une exposition prolongée (en durée cumulée) à une température élevée génère des composés intermétalliques entre les matériaux en présence qui fragilisent les assemblages et peuvent entraîner des ruptures soudaines en chocs ou en cycles thermiques, en basse température les matériaux rigides peuvent montrer des faiblesses en cas de chocs (transitions ductiles / fragiles), - les variations d'altitudes provoquent aussi des variations de taux d'humidité et de pression ambiante qui vont agir en détériorant petit à petit l'adhérence du gel sur les substrats par exemple. Compte tenu de l'épaisseur de la couche de gel qui est nécessaire à la fonction de protection assurée par le gel, notamment avec la présence de hautes tensions (de quelques centaines de vols à plusieurs milliers de volts), les dilatations différentielles sont telles qu'elles entraînent une rupture de la liaison entre la couche de gel et le circuit, autorisant le passage de l'humidité ou engendrant des contraintes importantes sur la liaison des composants de surface au circuit. Il existe également des modules comportant des circuits enfermés dans des boîtiers hermétiques sous gaz neutre ou sous vide. Ceci permet de réduire les problèmes de dilatations différentielles et de vieillissement en général mais augmente considérablement le poids, l'encombrement, la complexité, et donc le coût de ces modules tout en complexifiant également les opérations de contrôle nécessaires à la vérification de l'intégrité ou de la conformité du module électronique. Des études menées par la demanderesse ont en outre montré que : - d'une part les gels classiquement utilisés entraînent des défaillances en chocs et vibrations sur les bondings de faibles diamètre (< 50pm), - les gels peuvent se décoller, en fonction des conditions de vieillissement des substrats qu'ils recouvrent, créant localement des pertes d'isolement, ceci entraînant potentiellement une incompatibilité d'utilisation de ce type de protection vis-à-vis des exigences liées au développement des actionneurs électriques dans les avions. En effet, sous l'effet d'un choc ou de vibrations la masse importante de gel entourant un fil de wirebonding tend à se déplacer par rapport au circuit en entraînant avec elle le câble. Il en résulte des contraintes sur les extrémités qui risquent de se détacher des parties auxquelles elles sont reliées. Un des objectifs de l'invention est donc de fournir un moyen pour limiter l'influence des variations de températures, de pression et d'humidité, sur des modules électroniques de puissance destinées aux applications aéronautiques pouvant fonctionner jusqu'à +225°C.
A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un module électronique comportant un circuit ayant au moins un composant de puissance relié au circuit, le circuit étant recouvert d'un revêtement d'isolement électrique et d'étanchéité, caractérisé en ce que le revêtement est une couche de polyxylylène agencée pour assurer une répartition de contraintes mécaniques et thermomécaniques au moins au voisinage de la liaison du composant de puissance au circuit. Le module électronique est par exemple un module d'équipement aéronautique embarqué, comportant un circuit électronique peuplé de composants sous forme de puces en silicium, de composants discrets, montés en surface, à piquer_ et recouvert d'un revêtement de polyxylylène. Le circuit en question peut lui-même être monté (par brasage ou collage par exemple) sur un autre module comportant lui-même des composants du même type, le polyxylylène protégeant ainsi l'ensemble des composants de tous les modules. La présente innovation consiste donc en la protection du module de puissance et de tous ces constituants internes par du polyxylylène qui est un polymère organique déposé en phase vapeur sous vide et non pas par enduction comme les gels silicone. Cette opération est automatique, peut se faire sur plusieurs dizaines de modules en simultané, et engendre du fait de la phase vapeur un dépôt d'épaisseur constante et homogène sur toutes les faces des constituants internes au module. Le polyxylylène possède des propriétés permettant au revêtement d'étanchéité d'assurer sa fonction même avec une épaisseur très faible. De part cette faible épaisseur, les effets induits par les dilatations différentielles sont très limités et n'engendrent pas de contraintes suffisantes pour provoquer la rupture de liaison des composants de surface au circuit ou engendrer des passages d'humidité à l'interface entre le circuit et le revêtement. Au contraire, ce matériau permet notamment de prolonger la durée de vie des wirebondings. Plusieurs avantages sont attendus.
La couche de polyxylylène nécessaire pour garantir l'isolement en haute tension n'étant que de quelques dizaines de microns (<30 pm pour des tensions allant jusqu'à 1200V en ambiance de vol), cela résulte en une diminution importante du stress mécanique et thermomécanique sur les constituants internes du module (wirebondings, puces, capacités céramiques."). Par rapport au profil de tests appliqué (cyclage thermiques passifs, vibrations et chocs, cyclages actifs....) pendant la validation de cette innovation, c'est la seule protection qui a permis de protéger l'électronique tout en garantissant le tenue des wirebondings en aluminium sur des diamètres allant de 20 à 400 pm. Le polyxylylène ainsi rajouté sur notamment les puces de puissance permet de garantir la tenue intrinsèque de l'isolement de la puce en tension dans le temps si la protection intrinsèque de la puce (exemple : Si3N4, polyimide... sur les composants de type SiCJfet par exemple) s'avérait défaillante (exemple tenue du polyimide en haute tension et en température élevée proche de 200°C) De ce fait, le polyxylylène apparaît comme une solution robuste, fiable (pas de décollement, de bulle ou de fissuration de la couche protectrice) dans le temps et en fonction des conditions environnementales de vol, permettant ainsi de garantir l'absence de problème de décharges partielles dans le module de puissance. Le module devient réparable par simple abrasion de la couche de polyxylylène et rajout après réparation d'une couche de polyxylylène ou de vernis localement.
La phase de protection devient automatique (fait grâce à une machine) ce qui entraîne obligatoirement un gain au niveau du coût final du module et une reproductibilité du processus de protection. La couche de polyxylylène, de part ces caractéristiques thermomécaniques et du fait de son mode de dépôt va agir comme un répartiteur de contrainte au niveau notamment de la zone de câblage par wirebonding et va donc prolonger la durée de vie des modules (homogénéisation des concentrations de contraintes).
Augmentation de la taille des zones soumises aux contraintes. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique partielle et en coupe illustrant les différents assemblages présents sur un module électronique aéronautique conforme à l'invention, - les figures 2 et 4 sont des vues schématiques partielles et en coupe de câblages par wirebonding de puces, - la figure 3 est une vue de détail en coupe d'un report de composant passif. En référence aux figures, l'invention est ici décrite en application à un équipement de véhicule aéronautique pouvant être appliquée à tout module électronique devant fonctionner sur des gammes de températures extrêmes, typiquement de -60°C à -225°C environ. Le module électronique comprend un circuit, généralement désigné en 1, comportant un substrat 2 formé de façon connue en soi d'une alternance de couches conductrices superposées en alternance avec des couches de substrat électriquement isolantes et éventuellement des couches de substrat résistives. Ces couches ne sont pas apparentes sur les figures pour préserver la clarté de celles-ci. Des composants de puissance 11, 12, dont deux sont représentés ici, sont fixés sur une face du substrat 2 et sont reliés à des pistes conductrices s'étendant en surface du substrat pour constituer un sous-circuit de puissance 10. Le circuit 1 comprend en outre un sous-circuit de commande 10 qui comprend un substrat 21, analogue au substrat 2, et fixé sur le substrat 2. Des pistes du sous-circuit de commande sont reliées à des pistes courant en surface du substrat 2. Le sous-circuit de commande 20 comporte des composants de commande dont un seul est représenté ici. Le composant de commande 22 et les composants de puissance 11, 12 peuvent être des microcircuits, des composants passifs_ Ces composants peuvent être de type traversant ou monté en surface. Le composant de commande 22 et le composant de puissance 11 ont des bornes 13, 23 reliées à des plages conductrices 25, 15 du circuit par des fils de liaison 14, 24 dont les extrémités sont soudées aux bornes 13, 23 et aux plages conductrices 25, 15. Le composant de puissance 12 a des bornes 16 brasées sur des plages 15 du circuit.
Les pistes des sous-circuits 10, 20 sont formées par des couches conductrices qui ont ainsi des portions reliées les unes aux autres par des trous métallisés, des portions reliées à des fils de liaison 14, 24 par soudage, des portions reliées à des composants 12 par une brasure. Le circuit est recouvert d'un revêtement d'isolement électrique et d'étanchéité. Le revêtement est une couche 30 de polyxylylène agencée pour assurer une répartition de contraintes mécaniques et thermomécaniques au moins au voisinage de la liaison des composants au circuit. Le revêtement 30 a de préférence une épaisseur comprise environ entre lOpm et 30pm. Le polyxylylène utilisé est par exemple celui commercialisé sous la marque « PARYLENE C ». Le polyxylylène est déposé sur le circuit en phase vapeur sous pression de manière à recouvrir en totalité le circuit 1 à l'exception des bornes de raccordement du circuit 1 à l'équipement sur lequel il est monté. Le polyxylylène présente de préférence les caractéristiques figurant dans le tableau ci-dessous. Ces valeurs sont des valeurs approximatives données à titre indicatif. Résistance à l'étirement (MPa) 45 à 75, de préférence 70 Limite élastique (MPa) 2500 à 3200 Allongement à la rupture (%) 200 Densité, g/cm3 1,1 à1,4 Absorption eau (%) 0,01 à 0,10 Rigidité diélectrique (Volts/mil à 1 mil) 5000 à 7000 Constante diélectrique à 60 Hz 2,5 à 3,5 Température de fusion (°C) 300 à 400 Coefficient linéaire de 3 à 7 dilatation (10-5 / °C) Conductivité thermique, 10-4 2 (cal/sec)/(cm2 °C/cm) Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, le module peut comprendre des composants collés par exemple au moyen d'une colle silicone haute température ou d'une colle polyimide ou époxy haute température. Le module de l'invention peut avoir une structure différente de celle décrite.

Claims (4)

  1. REVENDICATIONS1. Module électronique comportant un circuit (1) ayant au moins un composant de puissance (11, 12) relié au circuit, le circuit étant recouvert d'un revêtement d'isolement électrique et d'étanchéité, caractérisé en ce que le revêtement est une couche de polyxylylène (30) agencée pour assurer une répartition de contraintes mécaniques et thermomécaniques au moins au voisinage de la liaison du composant de puissance au circuit.
  2. 2. Module selon la revendication 1, dans lequel le revêtement (30) a une épaisseur comprise environ entre lOpm et 30pm.
  3. 3. Module selon la revendication 1, dans lequel le circuit comprend un sous-circuit de puissance (10) comportant le composant de puissance et un sous-circuit de commande (20) qui est fixé sur un substrat du sous-circuit de puissance et qui comporte un composant de commande (22).
  4. 4. Module selon la revendication 3, dans lequel 20 le composant de commande (22) et le composant de puissance (11, 12) ont des bornes reliées à des plages conductrices du circuit par des fils de liaison.
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