FR3065319A1 - Module electronique de puissance et convertisseur electrique de puissance l’incorporant - Google Patents

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Abstract

Le module (PM1) a une architecture à empilement 3D des puces électroniques (IT, ID) et comprend des premier et deuxième substrats diélectriques (SH, SL) destinés à venir en contact thermique avec respectivement des premier et deuxième dissipateurs thermiques (DH, DL), au moins une paire de première et deuxième puces électroniques empilées (ITHS, IDHS ; ITHS, IDHS) et un substrat intermédiaire commun (SC), les première et deuxième puces électroniques étant implantées en sandwich respectivement entre le premier substrat diélectrique et le substrat intermédiaire commun et entre le substrat intermédiaire commun et le deuxième substrat diélectrique. Conformément à l'invention, le substrat intermédiaire commun est un élément métallique monobloc et comprend une portion centrale pour l'implantation des puces électroniques et au moins une portion de conduction thermique en contact thermique avec le premier substrat diélectrique et/ou le deuxième substrat diélectrique.

Description

Titulaire(s) : INSTITUT VEDECOM.
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : PEUGEOT CITROEN AUTOMOBILES SA Société anonyme.
VX) MODULE ELECTRONIQUE DE PUISSANCE ET CONVERTISSEUR ELECTRIQUE DE PUISSANCE L'INCORPORANT.
FR 3 065 319 - A1 _ Le module (PM1 ) a une architecture à empilement 3D des puces électroniques (IT, ID) et comprend des premier et deuxième substrats diélectriques (SH, SL) destinés à venir en contact thermique avec respectivement des premier et deuxième dissipateurs thermiques (DH, DL), au moins une paire de première et deuxième puces électroniques empilées (ITHS, IDHS; ITHS, IDHS) et un substrat intermédiaire commun (SC), les première et deuxième puces électroniques étant implantées en sandwich respectivement entre le premier substrat diélectrique et le substrat intermédiaire commun et entre le substrat intermédiaire commun et le deuxième substrat diélectrique. Conformément à l'invention, le substrat intermédiaire commun est un élément métallique monobloc et comprend une portion centrale pour l'implantation des puces électroniques et au moins une portion de conduction thermique en contact thermique avec le premier substrat diélectrique et/ou le deuxième substrat diélectrique.
Figure FR3065319A1_D0001
Figure FR3065319A1_D0002
MODULE ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE ET CONVERTISSEUR ÉLECTRIQUE DE PUISSANCE L’INCORPORANT [001] L’invention concerne de manière générale le domaine de l’électronique de puissance. Plus particulièrement, l’invention se rapporte à un module électronique de puissance avec une architecture 3D pour l’agencement des puces électroniques. L’invention se rapporte aussi à des convertisseurs électriques de puissance tels que des onduleurs.
[002] Les circuits électroniques de puissance sont présents dans de nombreux domaines d’activité et, en particulier, dans le domaine des transports. Les convertisseurs et modules électroniques de puissance ont connus ces dernières décennies un fort développement notamment dans la traction ferroviaire électrique. Avec la transition énergétique souhaitée vers des sources d'énergie renouvelable moins productrices d’émissions de CO2, l’électronique de puissance est appelée à se généraliser encore davantage et devra répondre à des contraintes économiques et technologiques croissantes. Dans le domaine des transports, l’industrie automobile est soumise à des normes d’émission de rejets polluants très contraignantes qui conduisent à une véritable mutation technologique avec l’électrification des véhicules, à travers des architectures hybrides ou toutélectrique. L’hybridation des moteurs d’avion est aussi un sujet à l’ordre du jour pour la réduction des émissions de ΟΟ2.
[003] Traditionnellement, les modules de puissance sont construits avec une disposition planaire des puces électroniques. Dans cette disposition planaire, les faces arrière des puces sont fixées sur un substrat et des fils d’interconnexion, dits « fils de bonding », sont utilisés pour établir des liaisons électriques sur les faces avant des puces. Le substrat, par exemple, sous la forme d’une céramique revêtue de plaques de cuivre, remplit une fonction d’interface thermique avec un dispositif de refroidissement et une fonction d’isolation électrique.
[004] Cette architecture planaire traditionnelle n’est pas optimisée en termes de compacité et de coût et présente d’autres inconvénients. Le refroidissement des puces n’intervient que par une seule de leurs faces. Les inductances parasites, introduites notamment par les fils de bonding et les rubans de connexion électrique, génèrent des surtensions qui accroissent la chaleur dégagée et qui sont potentiellement destructrices. De plus, les inductances parasites s’opposent à des fréquences de commutation plus élevées, alors que celles-ci sont favorables à la compacité, notamment dans les convertisseurs de puissance.
[005] L’empilement 3D des puces est une voie prometteuse pour améliorer la compacité des modules de puissance et réduire les inductances parasites. Un niveau d’intégration accru est généralement favorable aussi à la réduction des coûts. Par contre, l’architecture 3D accentue les contraintes thermiques sur les composants.
[006] Dans US20160005675A1, il est divulgué un module de puissance avec une architecture 3D. Ce module de puissance est montré ici à la Fig.1 et repéré 100. Le module 100 est refroidi par ses faces haute et basse. Les faces haute et basse comprennent respectivement des dissipateurs thermiques haut 106 et bas 110. L’empilement 3D du module 100 comprend une puce électronique haute 220, une puce électronique basse 210 et un substrat intermédiaire d’interconnexion 212 disposé en sandwich entre les puces 220 et 221. Les puces 220 et 210 sont soudées respectivement sur les dissipateurs 106 et 110 par une de leurs faces et au substrat intermédiaire d’interconnexion 212 par une autre de leur face. Une résine de surmoulage 108 assure l’étanchéité et la cohésion mécanique du module. Le substrat intermédiaire d’interconnexion 212 est ici un substrat de type DCB (de « Direct Copper Bond >> en anglais) ou DBA (de « Direct Bonded Aluminium» en anglais) qui comprend une plaque diélectrique centrale 215 revêtue de part et d’autre de couches métalliques 216 and 217, en cuivre (DCB) ou en aluminium (DBA). La plaque diélectrique centrale 215 est une céramique ou un polyimide tel que le Kapton (marque déposée).
[007] L’empilement 3D réalisé dans le module de puissance 100 de la technique antérieure permet davantage de compacité. Cependant, les puces électroniques 210 et 220 ne sont refroidies qu’à travers une seule face. Un tel agencement peut s’avérer insuffisant pour garantir, à des coûts acceptables, une bonne fiabilité à forte puissance, par un maintien des températures de jonction des puces électroniques en dessous des valeurs critiques.
[008] II est souhaitable de proposer un module de puissance perfectionnée du type à empilement 3D des puces électronique et ayant une architecture qui garantisse un refroidissement performant.
[009] Selon un premier aspect, l’invention concerne un module électronique de puissance ayant une architecture à empilement 3D, comprenant des premier et deuxième substrats diélectriques destinés à venir en contact thermique avec respectivement des premier et deuxième dissipateurs thermiques, au moins une paire de première et deuxième puces électroniques empilées et un substrat intermédiaire commun, les première et deuxième puces électroniques étant implantées en sandwich respectivement entre le premier substrat diélectrique et le substrat intermédiaire commun et entre le substrat intermédiaire commun et le deuxième substrat diélectrique. Conformément à l’invention, le substrat intermédiaire commun est un élément métallique monobloc et comprend une portion centrale pour l’implantation des puces électroniques et au moins une portion de conduction thermique en contact thermique avec le premier substrat diélectrique et/ou le deuxième substrat diélectrique.
[0010] Selon une forme de réalisation particulière, le substrat intermédiaire commun a une section en forme de H et comprend deux portions de conduction thermique latérales de part et d’autre de la portion centrale, les portions de conduction thermique latérales étant en contact thermique avec les premier et deuxième substrats diélectriques.
[0011] Selon une caractéristique particulière, le substrat intermédiaire commun comprend au moins un caloduc, de type capillaire ou pulsé, qui est agencé de manière à assurer un transfert de chaleur de la portion centrale vers les portions de conduction thermique latérales.
[0012] Selon une variante de réalisation, le substrat intermédiaire commun comprend un serpentin de circulation de liquide caloporteur qui est agencé de manière à assurer un transfert de chaleur du substrat intermédiaire commun vers un échangeur externe.
[0013] Selon une autre caractéristique particulière, des premières faces d’électrode des première et deuxième puces électroniques sont soudées directement sur des faces correspondantes du substrat intermédiaire commun.
[0014] Selon encore une autre caractéristique particulière, des deuxièmes faces 5 d’électrode des première et deuxième puces électroniques sont soudées respectivement sur des première et deuxième plaques métalliques de connexion électrique, les première et deuxième plaques métalliques de connexion électrique étant fixées respectivement contre les premier et deuxième substrats diélectriques.
[0015] Selon une autre forme de réalisation particulière, le module électronique de 10 puissance comprend au moins une troisième puce électronique présentant une différence de hauteur avec au moins l’une des première et deuxième puces électroniques, et le substrat intermédiaire commun et/ou au moins une des première et deuxième plaques métalliques de connexion électrique comprennent au moins un dénivelé de compensation de différence d’épaisseur pour l’implantation des puces électroniques.
[0016] Selon encore une autre caractéristique particulière, le module électronique de puissance comprend des poteaux en forme de demi-sphère sur lesquels sont soudées les puces électroniques.
[0017] Selon encore une autre caractéristique particulière, le substrat 20 intermédiaire commun et les première et deuxième plaques métalliques de connexion électrique sont en cuivre ou en aluminium.
[0018] Selon un autre aspect, l’invention concerne également un convertisseur électrique de puissance comprenant au moins un module électronique de puissance tel que décrit brièvement ci-dessus, dans lequel les puces électroniques comportent des interrupteurs électroniques de puissance.
[0019] D’autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous de plusieurs formes de réalisation particulières de l’invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
la Fig.1 est une vue en coupe d’un module électronique de puissance de la technique antérieure, avec une architecture à empilement 3D ;
la Fig.2 montre un schéma électrique d’une branche de pont à transistors, avec des transistors IGBT ;
les Figs.3 et 4 sont des vues en coupe simplifiées montrant une première forme de réalisation d’un module électronique de puissance selon la présente invention ;
la Fig.5 est une vue de dessus montrant une implantation de puces électroniques dans un substrat intermédiaire commun inclus dans le module électronique de puissance des Figs.3 et 4 ;
les Fig.6A à 6C sont des vues de dessus, en coupe, montrant trois formes de réalisation du substrat intermédiaire commun de la Fig.5 intégrant des caloducs de type capillaire, pulsé et un serpentin de circulation de liquide caloporteur, respectivement ;
la Fig.7 est une vue en coupe simplifiée montrant une deuxième forme de réalisation d’un module électronique de puissance selon la présente invention ;
la Fig.8 une vue de dessus montrant une implantation de poteaux en forme de demi-sphère pour la soudure les puces électroniques dans un substrat intermédiaire commun inclus dans le module de puissance électronique de la
Fig.7 ;
la Fig.9 montre un schéma électrique d’un convertisseur électrique de puissance sous la forme d’un onduleur triphasé, avec des transistors IGBT ; et les Fig.10 et 11 montrent deux formes de réalisation de l’onduleur triphasé de la Fig.9, respectivement avec une disposition horizontale et une disposition verticale des modules de puissance selon l’invention.
L’invention est maintenant décrite ci-dessus dans le cadre de la réalisation d’un module de puissance sous la forme d’une branche de pont, ou demi-pont, de commutation à transistors. Une telle branche de pont constitue un convertisseur électrique de puissance sous la forme d’un onduleur monophasé. Ces modules peuvent être associés pour former des ponts complets de commutation tels que des onduleurs polyphasés, ou être connectés en parallèle pour passer le courant voulu.
[0020] Un schéma électrique d’un tel module de puissance PM, avec des transistors de type IGBT, est représenté à la Fig.2.
[0021] Comme montré aux Figs.2, le module de puissance PM comprend un transistor IGBT haut, repéré IThs, et un transistor IGBT bas, repéré ITls, dits respectivement transistor «low side» et transistor «high side» en anglais. Des diodes IDHs et IDLs, dites de « roue libre », sont respectivement associées aux transistors IThs et ITls- La diode IDhs, IDls, est montée entre l’électrode de collecteur Chs, Cls, et l’électrode d’émetteur Ehs, Els, du transistor IThs, ITls, respectivement. L’électrode de collecteur Chs du transistor ITHs est relié à une tension continue positive +DC et l’électrode d’émetteur ELs du transistor ITLs est relié à une tension continue négative -DC. Les transistors IThs et ITls sont commandés en commutation à travers leurs électrodes de grille respectives Ghs et Gls- La sortie OUT du module PM correspond au point d’interconnexion des électrodes d’émetteur EHs et de collecteur Cls des transistors ITHs et ITLs et délivre une tension alternative.
[0022] Dans le module de puissance PM décrit ici, il est considéré que les transistors ITHs et ITLs et leurs diodes associées IDhs et IDLs sont des puces distinctes. On notera que dans certaines configurations, les diodes associées aux transistors seront déjà intégrées dans les puces des transistors, de sorte que leur implantation ne sera pas nécessaire. On notera également que le module de puissance selon l’invention pourra être réalisé tout aussi bien avec d’autres interrupteurs de puissance, tels que des transistors MOSFET ou des thyristors GTO.
[0023] En référence aux Figs.3 à 6C, il est maintenant décrit une première forme de réalisation particulière PM1 du module de puissance selon l’invention.
[0024] Comme montré aux Figs.3 et 4, le module de puissance PM1 est formé avec un empilement 3D de puces électroniques ITHs, IDrs, et ITls, IDLs- Le module de puissance PM1 comprend une partie haute Phs et une partie basse Pls dans lesquelles sont agencés le transistor IThs et sa diode associée IDhs et le transistor ITLs et sa diode associée IDLs, respectivement. Les parties haute Phs et basse Pls partage un substrat intermédiaire commun SC.
[0025] La partie haute Phs comprend essentiellement un substrat diélectrique dit « haut >> SH, une plaque métallique de connexion électrique dite « haute» PH et un premier dissipateur thermique dit « haut» DH. La partie basse Pls comprend essentiellement un substrat diélectrique dit « bas » SL, une plaque métallique de connexion électrique dite « basse » PL et un deuxième dissipateur thermique dit « bas » DL.
[0026] Les substrats diélectriques SH et SL sont typiquement des substrats en céramique. Les plaques métalliques de connexion électrique PH et PL sont typiquement des plaques en cuivre destinées à la connexion électrique des puces électroniques. Le substrat SH, SL, comprend une première face SHi, SLi, contre laquelle est fixé le dissipateur thermique DH, DL, et une deuxième face SH2, SL2, contre laquelle est fixée la plaque métallique PH, PL. Des techniques connues de l’homme du métier sont utilisées pour réaliser les fixations des dissipateurs et plaques métalliques sur les substrats diélectriques haut et bas avec une très bonne conductibilité thermique.
[0027] Conformément à l’invention, le substrat intermédiaire commun SC est un élément métallique monobloc, qui doit être un excellent conducteur électrique et thermique. Typiquement, le substrat intermédiaire commun SC est en cuivre.
[0028] Comme cela apparaît à la Fig.3, le substrat intermédiaire commun SC a section présentant une forme en H et comprend une portion centrale SCc et deux portions latérales de conduction thermique SCl et SCr qui sont perpendiculaires à la portion centrale SCc et situées de part et d’autre de la portion centrale SCc- La portion centrale SCc est dédiée à l’implantation des puces électroniques. Les portions latérales SCl et SCr, dites ici « gauche » et « droite », sont dédiées au transfert de la chaleur de la portion centrale SCc vers les dissipateurs DH et DL.
[0029] Les puces ITHs et IDHs sont implantées dans la partie haute Phs du module PM1. La Fig.5 montre l’implantation des puces ITHs et IDHs sur le substrat intermédiaire commun SC.
[0030] Comme montré à la Fig.3, l’électrode de collecteur (Chs, Fig.2) du transistor ITHs et l’électrode de cathode de la diode IDHs sont soudées sur la plaque métallique haute PH. L’électrode d’émetteur (EHs, Fig.2) du transistor ITHs et l’électrode d’anode de la diode IDhs sont soudées sur une face haute SCd de la portion centrale SCc du substrat intermédiaire commun SC. De manière générale, on notera ici que les termes « soudé » ou « soudure » utilisés pour la description de l’invention doivent être interprétés de manière large et recouvrent différentes techniques de réalisation de liaisons électriques avec apport de matière utilisées en électronique de puissance, telles que le brassage, le brasage par frittage et d’autres techniques.
[0031] Les puces ITLs et IDLs sont implantées dans la partie basse P|_s du module PM1. L’électrode d’émetteur (Els, Fig.2) du transistor ITls et l’électrode d’anode de la diode IDls sont soudées sur la plaque métallique basse PL. L’électrode de collecteur (Cls, Fig.2) du transistor ITLs et l’électrode de cathode de la diode IDLs sont soudées sur une face basse SCc2 de la portion centrale SCc du substrat intermédiaire commun SC.
[0032] Les électrodes de grille Ghs, Gls, des transistors IThs, ITls, (non représentées à la Fig.3) sont connectées typiquement à des motifs de connexion en cuivre supportés par les substrats diélectriques SH, SL.
[0033] Comme montré à la Fig.4, qui est une vue selon le plan de coupe AA (Fig.3), les plaques métalliques PH, PL et la portion centrale SCc se prolongent à l’extérieur du module PM1 pour former des pattes de connexion électrique, pour les tensions continues +DC, -DC, et la sortie OUT.
[0034] Comme montré à la Fig.3, les portions latérales de conduction thermique SCl, SCr, du substrat intermédiaire commun SC, dédiées à l’évacuation de la chaleur, comportent des faces haute et basse qui sont fixées aux substrats diélectriques haut et bas SH, SL. Plus précisément, pour la portion latérale gauche
SCl, une face haute SCli de celle-ci est fixée à la deuxième face SH2 du substrat diélectrique haut SH et une face basse SC|_2 est fixée à la deuxième face SL2 du substrat diélectrique bas SL. Pour la portion latérale droite SCr, une face haute SCri de celle-ci est fixée à la deuxième face SH2 du substrat diélectrique haut SH et une face basse SCr2 est fixée à la deuxième face SL2 du substrat diélectrique bas SL. La technique utilisée pour réaliser la fixation des portions latérales de conduction thermique SCl, SCr, aux substrats diélectriques SH, SL, sera choisie pour garantir une très bonne conductibilité thermique.
[0035] Grâce au substrat intermédiaire commun SC, avec ses portions latérales de conduction thermique SCl, SCr, en conduction thermique avec les dissipateurs DH, DL, l’invention autorise un véritable refroidissement double face des puces électroniques dans une architecture à empilement 3D.
[0036] Comme montré par les flèches en double trait à la Fig.3, l’évacuation des calories générées par le module PM1 se fait de la manière suivante :
[0037] Les faces supérieures du transistor ITrs et de la diode IDrs dissipent des calories à travers le dissipateur haut DH.
[0038] Les faces inférieures du transistor ITLs et de la diode IDLs dissipent des calories à travers le dissipateur bas DL.
[0039] Les faces soudées sur le substrat intermédiaire commun SC des transistors ITrs, ITls, et des diodes IDrs, IDls, dissipent des calories à travers les deux dissipateurs DH et DL, ces calories étant amenées jusqu’aux dissipateurs DH, DL par les portions latérales de conduction thermique SCl, SCr.
[0040] Les Figs.6A à 6C montrent trois variantes de réalisation SC1, SC2 et SC3 du substrat intermédiaire commun qui autorisent un accroissement de la quantité de calories évacuée par ce substrat. Les Figs.6A à 6C sont des vues selon le plan de coupe BB montré à la Fig.4.
[0041] Les substrats intermédiaires communs SC1 et SC2, montrés aux Figs.6A et 6B, intègrent des caloducs CA1l, CA1r, et CA2l, CA2r, dans leur corps en cuivre, de manière à augmenter leur conductivité thermique et évacuer davantage de calories. La température des puces électroniques peut ainsi être réduite. Les caloducs CA1L, CA1R, du substrat SC1 sont de type capillaire. Les caloducs CA2L, CA2r, du substrat SC2 sont de type pulsé. Les micro-canaux des caloducs sont réalisés par des techniques connues de l’homme du métier qui ne seront pas détaillées ici.
[0042] Comme montré par les flèches en double trait aux Figs.6A et 6B, les calories sont évacuées de la partie centrale des substrats intermédiaires communs SC1, SC2, vers les portions latérales de conduction thermique SCl, SCr, qui les conduisent jusqu’aux dissipateurs DH, DL. De manière connue, le transfert des calories s’effectue par le biais du cycle d’évaporation-condensation du liquide caloporteur contenu dans les caloducs.
[0043] Du fait que les puces sont soudées directement sur le substrat intermédiaire commun SC1, SC2, dans la portion centrale SCc contenant les caloducs, l’évacuation de la chaleur est rendue plus efficace. Les caloducs peuvent avoir des dimensions réduites car une grande partie des calories est évacuée directement vers les deux dissipateurs DH, DS, par la masse de cuivre du substrat intermédiaire commun, sans passer par les caloducs. Cet agencement permet d’obtenir un module de puissance avec une bonne rigidité mécanique, malgré la présence des micro-canaux des caloducs.
[0044] Dans le substrat intermédiaire commun SC3 montré à la Fig.6C, les caloducs sont remplacés par un serpentin de circulation de liquide caloporteur CAL destiné à être raccordé à un échangeur thermique externe (non représenté). Cette variante de réalisation est adaptée par exemple pour les très fortes puissances.
[0045] En référence aux Figs.7 et 8, il est maintenant décrit une deuxième forme de réalisation particulière PM2 du module de puissance selon l’invention. Bien entendu, les variantes avec caloduc ou serpentin décrites plus haut s’appliquent aussi à cette forme de réalisation.
[0046] L’architecture du module de puissance PM2 est adaptée lorsque des puces ayant des épaisseurs différentes sont intégrées dans le module, par exemple, des épaisseurs différentes entre les puces de transistor et les puces de diode.
[0047] Dans l’état de la technique, il est habituellement fait appel à des cales pour compenser une différence d’épaisseur entre les puces. Ces cales demandent à être soudées de deux côtés, à savoir, une face sur le plan de cuivre du support (substrat ou plaque de cuivre) et une autre sur la puce. L’introduction de cales diminue la conductivité thermique entre les puces et les dissipateurs thermiques et augmente les pertes joules, du fait des couches de soudure supplémentaires nécessaires pour leur fixation sur les supports.
[0048] Dans la présente invention, les différences d’épaisseur entre les puces sont compensées en introduisant des dénivelés localisés sur les supports. Ainsi, dans le module de puissance PM2 qui comprend des puces de diode IDhs, IDls, ayant une épaisseur inférieure à celle des puces de transistor ITHs, ITLs, des dénivelés D1 et D2 sont introduits dans le substrat intermédiaire commun SC4 et la plaque métallique PL1, respectivement. Les dénivelés D1, D2, sont localisés ici dans les zones de soudure des puces de diode et compensent l’épaisseur plus faible des puces de diode. Il est ainsi évité l’introduction de cales et, corrélativement, de couches de soudure supplémentaires.
[0049] Comme cela apparaît aux Figs.7 et 8, des motifs MT et MD comprenant des poteaux PT en forme de demi-sphère sont réalisés sur le substrat intermédiaire commun SC4 et la plaque métallique PL1. Les motifs MT sont réalisés dans la zone de soudure des transistors et les motifs MD sont réalisés dans la zone de soudure des diodes. Les poteaux en forme de demi-sphère apportent une meilleure adhérence de la liaison des puces à leurs supports, vis-àvis des contraintes thermomécaniques.
[0050] On notera que les dénivelés D1, D2 et les motifs MT, MD avec les poteaux PT en forme de demi-sphère seront réalisés par exemple par gravure des supports SC4, PL1.
[0051] En référence à la Fig.7, dans la partie haute Phs du module MP2, des faces métallisées des puces ITHs et IDHs sont soudées directement sur la plaque métallique PH (correspondant à la tension +DC), tandis que leurs faces opposées sont soudées sur les demi-sphères PT gravées sur le substrat intermédiaire commun SC4, typiquement au moyen d’une brasure par frittage. Dans la partie basse Pls du module MP2, des faces métallisées des puces ITls et IDls sont soudées directement sur le substrat intermédiaire commun SC4, tandis que leurs faces opposées sont soudées sur les demi-sphères PT gravées sur la plaque métallique PL1 (correspondant à la tension -DC), typiquement au moyen d’une brasure par frittage.
[0052] En référence aux Figs.9 à 11, il est maintenant décrit deux formes de réalisation d’un convertisseur électrique de puissance sous la forme d’un onduleur triphasé obtenu en associant trois modules de puissance selon l’invention. Bien entendu, l’invention s’applique de manière générale à la réalisation d’un onduleur ayant un nombre quelconque de phases.
[0053] Le schéma électrique de l’onduleur triphasé, repéré OT, est montré à la
Fig.9. Il comprend trois modules de puissance PMa, PMb et PMc associés en parallèle et formant chacun une branche de commutation de l’onduleur OT.
[0054] Une première forme de réalisation montrée à la Fig.10 est obtenue en disposant horizontalement les modules de puissance.
[0055] Dans cette forme de réalisation, les plaques métalliques hautes PH des modules de puissance PMa, PMb et PMc sont fixées à un dissipateur thermique commun DHC de partie haute Phs à travers un substrat diélectrique commun SHC typiquement en céramique. Les plaques métalliques basses PL1 des modules sont fixées à un dissipateur thermique commun DLc de partie basse Pls à travers un substrat diélectrique commun SLc typiquement en céramique. Des parois diélectriques isolantes IS, typiquement en céramique, sont prévues pour isoler électriquement les tronçons latéraux de conduction thermique en regard, des substrats communs SC4. Les connexions électriques entre les modules pour l’obtention de l’onduleur sont réalisées avec une connectique extérieure (non représentée), qui pourra être intégrée dans certaines applications.
[0056] Une deuxième forme de réalisation montrée à la Fig.11 est obtenue en disposant verticalement les modules de puissance. Dans cette forme de réalisation, des dissipateurs thermiques intermédiaires Dh et Dl2 sont partagés entre la partie basse Pls du module PMa et la partie haute Phs du module PMb et entre la partie basse Pls du module PMB et la partie haute Phs du module PMC. De même que pour la forme de réalisation de la Fig.10, les connexions électriques entre les modules pour l’obtention de l’onduleur sont réalisées avec une connectique extérieure, qui pourra éventuellement être intégrée dans certaines applications.
[0057] Le choix d’une disposition horizontale ou verticale des modules de puissance pour la réalisation de l’onduleur sera guidé essentiellement par des contraintes de forme et d’encombrement.
[0058] On notera que dans certaines formes de réalisation, les plaques métalliques de connexion électrique et/ou le substrat intermédiaire commun pourront être réalisés en aluminium, au lieu du cuivre. De manière générale, il sera être fait appel à différentes techniques bien maîtrisées par l’homme du métier pour réaliser un module de puissance selon l’invention. Ainsi, pour la réalisation du substrat intermédiaire commun, on pourra par exemple faire appel à des techniques telles que la gravure, le retrait mécanique de matière par usinage, la découpe au laser ou plasma, le matriçage, le moulage ou la découpe de profilés de cuivre ou aluminium.
[0059] L’invention ne se limite pas aux formes de réalisation particulières qui ont été décrites ici à titre d’exemple. L’homme du métier, selon les applications de l’invention, pourra apporter différentes modifications et variantes qui entrent dans la portée des revendications ci-annexées.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Module électronique de puissance ayant une architecture à empilement 3D, comprenant des premier et deuxième substrats diélectriques (SH, SL)
    5 destinés à venir en contact thermique avec respectivement des premier et deuxième dissipateurs thermiques (DH, DL), au moins une paire de première et deuxième puces électroniques empilées (IThs, IDls ; IDhs, ITls) et un substrat intermédiaire commun (SC), lesdites première et deuxième puces électroniques (IThs, IDls ; IDhs, ITls) étant implantées en sandwich
    10 respectivement entre ledit premier substrat diélectrique (SH) et ledit substrat intermédiaire commun (SC) et entre ledit substrat intermédiaire commun (SC) et ledit deuxième substrat diélectrique (SL), caractérisé en ce que ledit substrat intermédiaire commun (SC) est un élément métallique monobloc et comprend une portion centrale (SCc) pour l’implantation desdites puces
    15 électroniques (IThs, IDls ; IDhs, ITls) et au moins une portion de conduction thermique (SCl, SCr) en contact thermique avec ledit premier substrat diélectrique (SH) et/ou ledit deuxième substrat diélectrique (SL).
  2. 2. Module électronique de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit substrat intermédiaire commun (SC) a une section en forme de
    20 H et comprend deux portions de conduction thermique latérales (SCl, SCr) de part et d’autre de ladite portion centrale (SCc), lesdites portions de conduction thermique latérales (SCl, SCr) étant en contact thermique avec lesdits premier et deuxième substrats diélectriques (SH, SL).
  3. 3. Module électronique de puissance selon la revendication 2, caractérisé en
    25 ce que ledit substrat intermédiaire commun (SC1, SC2, SC3) comprend au moins un caloduc, de type capillaire (CA1l, CA1r) ou pulsé (CA2l, CA2r), qui est agencé de manière à assurer un transfert de chaleur de ladite portion centrale (SCc) vers lesdites portions de conduction thermique latérales (SCl, SCr).
  4. 4. Module électronique de puissance selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit substrat intermédiaire commun (SC3) comprend un serpentin de circulation de liquide caloporteur (CAL) qui est agencé de manière à assurer un transfert de chaleur dudit substrat intermédiaire commun (SC3) vers un échangeur externe.
  5. 5. Module électronique de puissance selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que des premières faces d’électrode desdites première et deuxième puces électroniques (IThs, IDls ; IDhs, ITls) sont soudées directement sur des faces correspondantes (SCc-i, SCœ) dudit substrat intermédiaire commun (SC).
  6. 6. Module électronique de puissance selon la revendication 5, caractérisé en ce que des deuxièmes faces d’électrode desdites première et deuxième puces électroniques (IThs, IDls ; IDhs, ITls) sont soudées sur des première et deuxième plaques métalliques de connexion électrique (PH, PL), lesdites première et deuxième plaques métalliques de connexion électrique (PH, PL) étant fixées respectivement contre lesdits premier et deuxième substrats diélectriques (SH, SL).
  7. 7. Module électronique de puissance selon la revendications 6, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une troisième puce électronique (IDhs, IDls) présentant une différence de hauteur avec au moins l’une desdites première et deuxième puces électroniques (IThs, IDls ; IDhs, ITls), et en ce que ledit substrat intermédiaire commun (SC4) et/ou au moins une desdites première et deuxième plaques métalliques de connexion électrique (PL1) comprennent au moins un dénivelé de compensation de différence d’épaisseur (D1, D2) pour l’implantation desdites puces électroniques (IThs, IDls ; IDhs, ITls).
  8. 8. Module électronique de puissance selon l’une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu’il comprend des poteaux en forme de demi-sphère (PT) sur lesquels sont soudées lesdites puces électroniques (IThs, IDls ; IDhs, ITls).
  9. 9. Module électronique de puissance selon l’une quelconque des φ revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit substrat intermédiaire commun (SC, SC1, SC2, SC3, SC4) et lesdites première et deuxième plaques métalliques de connexion électrique (PH, PL, PL1) sont en cuivre
    5 ou en aluminium.
  10. 10. Convertisseur électrique de puissance, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un module électronique de puissance (PM1, PM2, PMa, PMb, PMc) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel lesdites puces électroniques (IThs, IDls ; IDhs, ITls) comportent des interrupteurs
    10 électroniques de puissance.
    1/4
    100
    110
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