FR3065616B1 - Procede de fabrication d'un circuit multicouches - Google Patents

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Abstract

Procédé de fabrication d'un circuit multicouche de distribution de courant électrique comprenant la fabrication d'une succession de plaques (2) conductrices destinées à être empilées, la mise en place d'une couche isolante (3) électriquement entre les plaques conductrices que l'on empile, ces dites plaques conductrices présentant des zones (5) de contacts destinées à établir une connexion avec un composant et des lumières (4); ce procédé étant caractérisé en ce qu'en périphérie (7) des zones (5) de contact, on projette dynamiquement à vitesse supersonique et par un gaz sous pression au travers d'une tuyère convergente divergente une poudre conductrice dont les particules de ladite poudre vont se déformer plastiquement, s'incruster et s'agglomérer sur la surface et former une surcouche mince qui est plus rugueuse que l'état de surface initial en vue de renforcer l'adhésion d'un revêtement isolant ajouté ultérieurement.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D’UN CIRCUIT MULTICOUCHES. L’invention se rapporte à un procédé de fabrication d’un circuit multicouche dedistribution de courant électrique encore appelé « busbar laminé ».
Un tel circuit comprend plusieurs plaques conductrices d’un courant électriqueempilées et assemblées avec entre chaque plaque un isolant électrique. Cet isolantélectrique est réalisé par un film, une feuille ou une couche mince d’un matériauisolant diélectrique.
Les composants électriques, montés sur ces circuits de distribution, sont descomposants électroniques discrets (condensateurs, diodes, . ..), des modules depuissances (IGBT ,. . .) ou de filtrage,... ainsi que des bornes de connexions.
En règle générale, à chaque plaque correspond une phase d’une alimentationbiphasée (neutre et phase) ou triphasée (phase 1, phase 2 , phase 3 et neutre) etles composants sont localisés sur la plaque supérieure et/ou inférieure.
Il peut y avoir une plaque pour la mise à la terre.
Certains composants seront donc reliés par une patte de connexion à une premièreplaque et par une autre patte à une seconde plaque. Pour ce faire les plaques,venant au-dessus d’une zone de connexion d’un composant, présentent, au droitde cette zone de connexion, une lumière pour le passage de la patte qui seraconnectée.
En règle générale, la liaison entre la patte du composant et le circuit électrique sefait par liaison mécanique (composant vissé). D’autres moyens de liaison sontpossibles (emmanchement en force, soudure,. . ).
Ainsi assemblé, ce circuit de distribution multicouche, constitué de couchesconductrices séparées par une couche isolante, présente des intérêts multiples :faible inductance, bonne répartition de la chaleur, support mécanique auxcomposants.
Le matériau utilisé pour les plaques conductrices est le plus souvent du cuivre.L’aluminium est également utilisé pour des contraintes de prix et de poids,l’aluminium étant moins onéreux que le cuivre et moins lourd.
Ces deux matériaux sont sujets à l’oxydation ambiante. Cette oxydation altère laqualité électrique du contact entre le composant et le conducteur et peut produire,par effet résistif, un échauffement préjudiciable à la fiabilité du circuit.
En particulier pour l’aluminium qui subit une oxydation rapide avec formationnaturelle d’une fine épaisseur d’oxyde d’aluminium (alumine) qui est certesétanche et protectrice, mais mauvaise conductrice de courant électrique.
Pour protéger les zones de contacts électriques, il est donc courant de procéder àun traitement de surface des conducteurs cuivre ou aluminium. Cette protectionest typiquement réalisée par dépôt par voie humide (dépôt électrolytique et /ouchimique : étamage, nickelage, argenture, cuivrage, dorure, . . .).
Ces traitements de surface ne présentent pas de difficultés particulières sauf àdisposer d’installations suffisamment grandes pour la taille des conducteurs.
En théorie, seules les zones de contact nécessitent un traitement. Mais comptetenu de leurs positions géométriques sur les conducteurs, ces derniers sontgénéralement traités dans leur globalité, plutôt qu’un trempage partiel localisé.D’où un coût de revient conséquent, d’autant plus si le matériau déposé estcoûteux (argent, or, ...). En effet, les plaques étant couvertes par un film isolant,il n’y a que les zones de contacts qui sont à l’air libre et donc directement soumisesà l’oxydation ambiante.
Une deuxième raison justifiant un traitement de surface localisé est de s’affranchirde phénomène de corrosion galvanique au droit de la connexion électrique entrele composant et la plaque conductrice si ceux-ci sont de nature métallurgiquedifférente avec un potentiel galvanique élevé.
Sur ce type de circuit de distribution, les courants peuvent être importants etl’isolation électrique entre les plaques à différents potentiels est obtenue par lafeuille isolante que l’on intercale entre deux plaques. Il se produit parfois undécollement du film isolant autour des zones de contacts ce qui peut entraîner desarcs électriques car la distance d’isolation devient plus courte.
Il peut y avoir localement dans ce système à plaques laminées, du fait de sagéométrie et de la répartition des composants, des zones traversées par descourants importants, et donc des échauffements par effet joule qui peuvent êtreconséquents, à tel point qu’un renforcement localisé de l’épaisseur du conducteurest souhaitable.
Nous avons évoqué plus haut la présence de lumières (découpes) dans desconducteurs (couche conductrice), permettant la connexion d’un composant à unconducteur situé géométriquement sous un premier conducteur. Pour des raisonsd’alignement des plans de connexions des composants, la zone de contact duconducteur inférieur remonte au travers la lumière du conducteur supérieur. Cetteremontée est réalisée par déformation localisée du conducteur inférieur (bossage)ou par insertion d’une colonnette de rattrapage de plan, avec les limitationssuivantes : - le bossage n’est pas toujours réalisable pour des raisons métallurgiques oud’encombrement ; - la colonnette insérée, outre son coût d’obtention et de pose, génère desrésistances de contacts électriques additionnelles inopportunes. L’invention se propose d’apporter une solution à ces différents problèmes. A cet effet, l’invention se rapporte à un procédé de fabrication d’un circuitmulticouche de distribution comprenant la fabrication d’une succession deplaques conductrices destinées à être empilées et assemblées, la mise en placed’une couche isolante électriquement entre les plaques conductrices que l’onempile, ces dites plaques conductrices présentant des zones de contacts destinéesà établir une connexion avec un composant et/ou des lumières pour l’accès auxzones de contact ; ce procédé étant caractérisé en ce que, avant assemblage desplaques conductrices et des films isolants, au niveau des zones de contact et plusprécisément en leur périphérie, on projette dynamiquement, à vitessesupersonique par un gaz sous pression au travers d’une tuyère convergentedivergente, une poudre conductrice qui vient se solidariser et s’incruster dans lasurface réceptrice en formant une couche mince par exemple de l’ordre de 10 à50 microns qui est plus rugueuse que l’état de surface initial de la zone recouverte. L’invention sera bien comprise à l’aide de la description ci-après faites à titred’exemple non limitatif en regard du dessin qui représente : FIG1 Vue en coupe transversale d’un circuit multicouche avant d’assemblage FIG2 Exemple de coupe métallographique d’un revêtement obtenu par projectiondynamique d’une poudre à base de cuivre par gaz sous pression sur un conducteuren aluminium.
En se reportant au dessin FIG 1,on voit un circuit (1) multicouche de distributionen cours d’assemblage.
Ici, il s’agit d’un circuit monophasé. Il comprend une première plaque (2)conductrice, dessous la dite plaque conductrice, une feuille (3) isolante et dessouscette feuille isolante une autre plaque (2) conductrice.
Cet ensemble peut être isolé électriquement entre deux couches isolantes (3A)appliquées sur le dessus et/ou le dessous dudit ensemble.
La plaque conductrice peut être en cuivre mais plus probablement en aluminiumafin de réduire les coûts.
En théorie l’épaisseur des plaques est déterminée en fonction du courant qui vacirculer dans la plaque.
La face supérieure va donc accueillir des composants dont une patte est fixée surune plaque conductrice et l’autre patte sur l’autre plaque conductrice. Afin defixer la patte sur la plaque conductrice située en bas de l’empilement, des lumières(4) sont découpées dans les différentes plaques conductrices et des lumières (4A)dans les et feuilles isolantes.
Il est donc prévu sur ces plaques des zones (5) dit de contact où s’établira laconnexion électrique avec un composant.
De préférence, ce composant est fixé mécaniquement sur la plaque conductriceau centre de la zone de contact.
Donc pour obtenir ce type de circuit, on fait appel à un procédé de fabricationd’un circuit multicouche de connexion comprenant la fabrication d’unesuccession de plaques conductrices présentant chacune au moins une zone (5) decontact, des lumières, la mise en place d’une couche isolante électriquement entreles plaques conductrices (2) que l’on empile, ces dites plaques conductricesprésentant des zones de contacts destinées à établir une connexion avec uncomposant.
Avantageusement, localement au niveau des zones (5) de contacts, on réalise unrevêtement conducteur électrique local par un procédé de projection dynamique,à vitesse supersonique au moyen d’un gaz sous pression, de poudre conductrice.
Ceci permet d’avoir un contact avec ce revêtement avec des caractéristiquespropres à la nature du matériau projeté et non plus du conducteur.
Lorsqu’on projette dynamiquement à vitesse supersonique une poudre, lesparticules de cette poudre vont lors de l’impact se déformer plastiquement,s’agglomérer et s’incruster sur la surface réceptrice créant ainsi une couche. Etlrsque la couche est mince, de l’ordre de 10 à 50 microns, elle est plus rugueuseque l’état de surface initial de la zone recouverte.
Avantageusement on peut aussi traiter dans les mêmes conditions par projectiondynamique à vitesse supersonique au moyen d’un gaz sous pression les zones (7)périphérique des zones (5) pour créer une couche mince (8) de rugosité supérieureà la rugosité initiale. Ceci a l’avantage d’augmenter l’adhésion des feuillesisolantes car on augmente la surface de contact avec l’adhésif de la feuille isolanteélectriquement. On réduit donc les possibilités de fuites de courant quis’établissent lorsque la feuille adhésive se décolle au niveau de ces bords libres.
On procédera de la même manière en créant une couche rugueuse (10) enpériphérie de chaque plaque conductrice pour éviter les courants de fuite si le borddes feuilles isolantes se décolle. L’amorce de décollement des feuilles isolantes se fait où il y a rupture decontinuité dans la feuille donc au niveau des bords de la feuille ou au niveau deslumières. Eventuellement, on projette dynamiquement, à vitesse supersonique parun gaz sous pression, également cette fois directement sur les zones (5) decontacts, une poudre conductrice pour former une couche (6). Les particules decette poudre, lors de l’impact, se déforment plastiquement, s’agglomèrent ets’incrustent dans la surface, au niveau de la zone de contact, créant ainsi unecouche conductrice électrique et protectrice vis-à-vis de l’atmosphère ambiante.
Pour réduire l’oxydation de la plaque conductrice, on considère que la feuilleisolante électriquement va éviter l’oxydation de la partie de la plaque recouvertepar cette feuille et donc reste à protéger les zones découvertes que sont les zones(5) de contacts.
Localement au niveau des zones (5) de contacts, on réalise un revêtementconducteur électrique local par procédé de projection dynamique, à vitessesupersonique au moyen d’un gaz sous pression, de poudre conductrice. Cecipermet d’avoir un contact avec un revêtement avec des caractéristiques propres àla nature du matériau projeté (par exemple du cuivre) et non plus du conducteur(par exemple de l’aluminium). L’épaisseur sera par exemple de 100 microns.
Le procédé de projection dynamique de poudre à grande vitesse par gaz souspression est aussi connu sous le nom de « cold spray ».
Il utilise un gaz comprimé comme de l’azote (N2), de l’hélium (He) ou l’aircomme gaz servant à la propulsion de la poudre. Ce gaz est comprimé jusqu’àplusieurs MPa et chauffé jusqu’à 1000°C (selon la nature de la poudre et lesubstrat). Le gaz est accéléré ensuite dans une tuyère convergente divergente ditede « Laval » pour être éjecté à une vitesse supersonique (autour de 500-1200 m/s).La poudre est introduite dans l’axe ou perpendiculairement dans une chambre decompression, puis est entraînée par le gaz propulseur, et est projetée à grandevitesse sur le substrat. L’énergie cinétique appliquée à la poudre permet à sesparticules constituantes de se déformer plastiquement lors de l’impact sur lecircuit et de constituer ainsi un revêtement dense, cohérent et très bon conducteurélectrique. Bien que le gaz soit chaud, la poudre reste largement sous satempérature de fusion, ce qui permet de ne pas modifier ses caractéristiques.
Par opposition à d’autres procédés de revêtement par procédé de projectionthermique (flamme, plasma, arc électrique, . . .) qui sont caractérisés par la projection de matière fondue ; le procédé de projection dynamique de poudre, àvitesse supersonique par gaz sous pression au travers d’une tuyère convergentedivergente, affecte moins le support ; et les poudres projetées le sont à destempératures inférieures à leurs points de fusion.
Ce revêtement pourra être d’une épaisseur comprise entre environ une centainede microns et plusieurs millimètres.
Cette technique permet de cibler les apports de matières et donc de réduire le coûtdes produits obtenus.
Typiquement la poudre projetée sera à base de cuivre sur un support enaluminium. D’autres cas sont possibles, comme du nickel ou de d’argent surconducteur cuivre ou aluminium.
Ceci permet de traiter exclusivement les zones de contacts qui ne sont pasprotégées de l’air par le film ou la feuille isolante électriquement, cette feuilleayant alors une deuxième fonction d’étanchéité à l’air.
Dans le cas d’utilisation de conducteur en aluminium , la projection de poudre àbase de cuivre sur les zones de contacts, permet aussi de résoudre les problèmesde corrosion galvanique.
La projection de poudre sur des zones prédéterminées permet de renforcerlocalement les sections de matières conductrices.
Avantageusement, on traite, par projection dynamique à grande vitesse par gazsous pression, d’une poudre conductrice les zones (9) de la plaque conductriceà fortes densités de courant pour d’une part, augmenter la section de passage endéposant de la matière, et d’autre part apporter un matériau éventuellement plusconducteur que celui constituant la plaque conductrice, pour réduire la résistanceélectrique.
On détermine préalablement à l’opération par essai ou calcul les zones qui vontchauffer afin de les traiter. L’épaisseur du matériau projetée peut être importante et constituer un rattrapaged’épaisseur ; voire même de constituer localement des plots de connexion avecdes surfaces de contacts alignées sur un même plan. La hauteur de rattrapage peutêtre de plusieurs millimètres.
La figure 2 montre une coupe métallographique typique d’un revêtement obtenupar projection dynamique d’une poudre à base de cuivre sur un support enaluminium.
En 11 le substrat d’origine et en 13 le revêtement déposé par projectiondynamique de poudre. On remarque la différence obtenue de rugosité durevêtement 14 par rapport à celui du substrat 12.

Claims (6)

  1. REVENDICATIONS
  2. 1. Procédé de fabrication d’un circuit multicouche de distribution de courantélectrique comprenant la fabrication d’une succession de plaques (2)conductrices destinées à être empilées, la mise en place d’une coucheisolante (3) électriquement entre les plaques conductrices que l’on empile,ces dites plaques conductrices présentant des zones (5) de contactsdestinées à établir une connexion avec un composant et des lumières (4);ce procédé étant caractérisé en ce qu’en périphérie (7) des zones (5) decontacts et/ou d’une zone (10) périphérique de la plaque, on projettedynamiquement, à vitesse supersonique et par un gaz sous pression autravers d’une tuyère convergente divergente, une poudre conductrice dontles particules de ladite poudre vont se déformer plastiquement, s’incrusteret s’agglomérer sur la surface et former une surcouche mince de l’ordre de10 à 50 microns qui est plus rugueuse que l’état de surface initial, en vuede renforcer l’adhésion d’un revêtement isolant ajouté ultérieurement. 2. Procédé de fabrication d’un circuit multicouche de distribution de courantélectrique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’on projettedynamiquement par gaz sous pression, directement sur les zones (5) decontacts, une poudre conductrice dont les particules de ladite poudre vontlors de l’impact se déformer plastiquement, s’agglomérer et s’incrusterdans la surface, au niveau de la zone de contact, et créer ainsi une coucheconductrice électrique (6) ayant une épaisseur suffisante pour êtreprotectrice vis-à-vis de l’atmosphère ambiante.
  3. 3. Procédé de fabrication d’un circuit de distribution selon la revendication 1caractérisé en ce qu’après avoir déterminé des zones (9) dans la plaque oùun échauffement se produit, on dépose sur les zones identifiées, parprojection dynamique à vitesse supersonique par gaz sous pression, unepoudre conductrice en vue d’augmenter localement la section de passagedu courant et de diminuer la résistance électrique.
  4. 4. Procédé de fabrication d’un circuit de distribution selon la revendication 1caractérisé en ce que on réalise des rattrapages de niveau des zones (5) decontact par dépôt localisée d’un volume (6) de poudre conductrice par leprocédé de projection dynamique à vitesse supersonique par gaz souspression.
  5. 5. Procédé de fabrication d’un circuit de distribution selon l’une quelconquesdes revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le matériau constituant lesplaques est de Γaluminium et le matériau projeté est à base de cuivre.
  6. 6. Circuit de distribution de courant électrique multicouches composé deplaques conductrices et de feuilles de matière isolante électriquement, cecircuit présentant des lumières (4) dans les plaques et des zones (5) decontact électriques pour des composants, ce circuit de distribution étantcaractérisé en qu’il est obtenu selon l’une quelconque des revendications 1à 5
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