FR3065617A1 - Procede de fabrication d'un circuit multicouches pour la distribution de courant electrique - Google Patents

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Abstract

Procédé de fabrication d'un circuit (1) 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 (3) isolante 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 ce procédé étant caractérisé en ce que localement au droit des zones de contact on projette dynamiquement à vitesse supersonique et par gaz sous pression et au travers d'une tuyère convergente divergente sur ces zones de contact une poudre conductrice dont les particules de ladite poudre vont lors de l'impact se déformer plastiquement, s'agglomérer et s'incruster dans la surface, au niveau de la zone de contact, et créer ainsi une couche conductrice électrique et protectrice vis-à-vis de l'atmosphère ambiante.

Description

® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication : 3 065 617 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction)
©) N° d’enregistrement national : 17 00436
COURBEVOIE
©) Int Cl8 : H05K3/46 (2017.01), H 05 K3/00, 1/00
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
©) Date de dépôt : 20.04.17. (30) Priorité : ©) Demandeur(s) : AUXEL — FR.
©) Inventeur(s) : WECXSTEEN JEAN FRANÇOIS.
@) Date de mise à la disposition du public de la demande : 26.10.18 Bulletin 18/43.
(56) Liste des documents cités dans le rapport de recherche préliminaire : Se reporter à la fin du présent fascicule
(© Références à d’autres documents nationaux apparentés : ©) Titulaire(s) : AUXEL.
©) Demande(s) d’extension : @) Mandataire(s) : CABINET DAVID TOURNEL.
PROCEDE DE FABRICATION D'UN CIRCUIT MULTICOUCHES POUR LA DISTRIBUTION DE COURANT ELECTRIQUE.
FR 3 065 617 - A1 _ Procédé de fabrication d'un circuit (1) 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 (3) isolante 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 ce procédé étant caractérisé en ce que localement au droit des zones de contact on projette dynamiquement à vitesse supersonique et par gaz sous pression et au travers d'une tuyère convergente divergente sur ces zones de contact une poudre conductrice dont les particules de ladite poudre vont lors de l'impact se déformer plastiquement, s'agglomérer et s'incruster dans la surface, au niveau de la zone de contact, et créer ainsi une couche conductrice électrique et protectrice vis-à-vis de l'atmosphère ambiante.
Figure FR3065617A1_D0001
Figure FR3065617A1_D0002
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Procédé de fabrication d’un circuit multicouches pour la distribution de courant électrique.
L’invention se rapporte à un procédé de fabrication d’un circuit multicouche de distribution de courant électrique encore appelé « busbar laminé ».
Un tel circuit comprend plusieurs plaques conductrices d’un courant électrique empilées et assemblées avec, entre chaque plaque, un isolant électrique. Cet isolant électrique est réalisé par un film, une feuille ou une couche mince d’un matériau isolant diélectrique.
Les composants électriques, montés sur ces circuits de distribution, sont des composants électroniques discrets (condensateurs, diodes, . ..), des modules de puissances (IGBT , . . .) ou de filtrage,... ainsi que des bornes de connexions.
En règle générale, à chaque plaque correspond une phase d’une alimentation biphasée (neutre et phase) ou triphasée (phase 1, phase 2, phase 3 et neutre); et les composants sont localisés sur la plaque supérieure et/ou inférieure.
II peut y avoir une plaque pour la mise à la terre.
Certains composants seront donc reliés par une patte de connexion à une première plaque 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 droit de cette zone de connexion, une lumière pour le passage de la patte qui sera connectée.
En règle générale la liaison entre la patte du composant et le circuit électrique se fait par liaison mécanique (composant vissé). D’autres moyens de liaison sont possibles (emmanchement en force, soudure,...).
Ainsi assemblé, ce circuit de distribution multicouche constitué, de couches conductrices séparées par une couche isolante, présente des intérêts multiples :
faible inductance, bonne répartition de la chaleur, support mécanique aux composants, etc ...
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 la qualité 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 formation îo naturelle d’une fine épaisseur d’oxyde d’aluminium (alumine) qui est certes étanche et protectrice, mais mauvaise conductrice électrique.
Pour protéger les zones de contacts électriques, il est donc courant de procéder à un traitement de surface des conducteurs cuivre ou aluminium. Cette protection est typiquement réalisée par dépôt par voie humide (dépôt électrolytique et /ou chimique : étamage, nickelage, argenture, cuivrage, dorure,. ..).
Ces traitements de surface ne présentent pas de difficultés particulières sauf à disposer d’installations suffisamment grandes pour la taille des conducteurs.
En théorie, seules les zones de contact nécessitent un traitement. Mais compte tenu de leurs positions géométriques sur les conducteurs, ces derniers sont généralement traités dans leur globalité, plutôt qu’un trempage partiel localisé. D’où un coût de revient conséquent, d’autant plus si le matériau déposé est coûteux (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 soumises à l’oxydation ambiante.
Une deuxième raison justifiant un traitement de surface localisé est de s’affranchir de phénomènes de corrosion galvanique au droit de la connexion électrique entre le composant et la plaque conductrice si ceux-ci sont de nature métallurgique différente avec un potentiel galvanique élevé.
Sur ce type de circuit de distribution, les courants peuvent être importants et l’isolation électrique entre les plaques à différents potentiels est obtenue par la feuille isolante que l’on intercale entre deux plaques. Il se produit parfois un décollement du film isolant autour des zones de contacts ce qui peut entraîner des arcs électriques car la distance d’isolation devient plus courte.
Il peut y avoir localement dans ce système à plaques laminées, du fait de sa io géométrie et de la répartition des composants, des zones traversées par des courants importants, et donc des échauffements par effet joule qui peuvent être conséquents, à tel point qu’un renforcement localisé de l’épaisseur du conducteur est souhaitable.
Nous avons évoqué plus haut la présence de lumières (découpes) dans des conducteurs (couche conductrice), permettant la connexion d’un composant à un conducteur situé géométriquement sous un premier conducteur. Pour des raisons d’alignement des plans de connexions des composants, la zone de contact du conducteur inférieur remonte au travers de la lumière du conducteur supérieur.
Ceci est réalisé par déformation localisée du conducteur inférieur (bossage) ou par insertion d’une colonnette de rattrapage de plan, avec les limitations suivantes :
- le bossage n’est pas toujours réalisable pour des raisons métallurgiques ou d’encombrement ;
- la colonnette insérée, outre son coût d’obtention et de pose, génère des résistances 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 circuit multicouche de distribution comprenant la fabrication d’une succession de plaques conductrices destinées à être empilées et assemblées, la mise en place d’une couche isolante électriquement entre les plaques conductrices que l’on empile, ces dites plaques conductrices présentant des zones de contacts destinées à établir une connexion avec un composant et/ou des lumières pour l’accès aux zones de contact ; ce procédé étant caractérisé en ce que localement au niveau des zones de contact on projette dynamiquement, à vitesse supersonique au moyen d’un gaz sous pression et au travers d’une tuyère convergente divergente, une poudre conductrice qui s’incruste sur la surface créant ainsi une couche conductrice électrique suffisamment épaisse pour être au moins protectrice vis-àvis de l’atmosphère ambiante .
L’invention sera bien comprise à l’aide de la description ci-après faites à titre d’exemple non limitatif en regard du dessin qui représente :
FIG 1 Vue de coupe transversale d’un circuit multicouche avant assemblage.
FIG 2 Exemple de coupe métallographique d’un revêtement obtenu par projection dynamique d’une poudre à base de cuivre par gaz sous pression, sur un conducteur aluminium.
En se reportant au dessin FIG1 on voit un circuit (1) multicouche de distribution en 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 dessous cette feuille isolante une autre plaque (2) conductrice.
Cet ensemble peut être isolé électriquement entre deux couches d’isolant (3A) appliquées sur le dessus et/ou le dessous dudit ensemble.
La plaque conductrice peut être en cuivre mais plus probablement en aluminium afin de réduire les coûts.
En théorie, l’épaisseur des plaques est déterminée en fonction du courant qui va circuler dans la plaque.
La face supérieure va donc accueillir des composants dont une patte est fixée sur une plaque conductrice et l’autre patte sur l’autre plaque conductrice. Afin de fixer la patte sur la plaque conductrice de l’autre plaque, des lumières (4) sont découpées dans les différentes plaques conductrices et des lumières (4A) dans les feuilles isolantes.
Il est donc prévu sur ces plaques des zones (5) dit de contact où s’établira la connexion électrique avec un composant.
De préférence, ce composant est fixé mécaniquement sur la plaque conductrice au centre de la zone de contact.
Donc pour obtenir ce type de circuit, on fait appel à un procédé de fabrication d’un circuit multicouche de connexion comprenant la fabrication d’une succession de plaques conductrices présentant chacune au moins une zone (5) de contact, la mise en place d’une couche isolante électriquement entre les plaques conductrices (2) que l’on empile, ces dites plaques conductrices présentant des zones de contacts destinées à établir une connexion avec un composant.
Selon l’invention on projette dynamiquement à vitesse supersonique au moyen d’un gaz sous pression et au travers d’une tuyère convergente divergente une poudre conductrice sur les zones de contacts pour former une couche suffisamment épaisse pour être au moins protectrice vis-à-vis de l’atmosphère ambiante. Les particules de cette poudre vont, lors de l’impact, se déformer plastiquement, s’agglomérer et s’incruster sur la surface, au niveau de la zone de contact, créant ainsi une couche conductrice électrique et protectrice vis-à-vis de l’atmosphère ambiante.
Pour réduire l’oxydation de la plaque conductrice, on considère que la feuille isolante électriquement va éviter l’oxydation de la partie de la plaque recouverte par cette feuille et donc reste à protéger les zones découvertes que sont les zones (5) de contacts.
Selon l’invention, localement au niveau des zones (5) de contacts, on réalise un revêtement (6) conducteur électrique local par le procédé de projection dynamique à vitesse supersonique par un gaz sous pression, de poudre conductrice au travers d’une tuyère convergente divergente, la dite poudre restant sous la température de fusion de celle-ci. Ceci permet d’avoir un contact avec ce revêtement avec des caractéristiques propres à la nature du matériau projeté et non plus du conducteur.
Le procédé de projection dynamique de poudre à grande vitesse par gaz sous pression 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’air comme gaz servant à la propulsion de la poudre. Ce gaz est comprimé jusqu’à plusieurs MPa et chauffé jusqu’à 1000°C (selon la nature de la poudre et le substrat). Le gaz est accéléré ensuite dans une tuyère convergente divergente dite de « 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 de compression, puis est entraînée par le gaz propulseur et est projetée à grande vitesse sur le substrat. L’énergie cinétique appliquée à la poudre permet à ses particules constituantes de se déformer plastiquement lors de l’impact sur le circuit et de constituer ainsi un revêtement dense, cohérent et très bon conducteur électrique. Bien que le gaz propulseur soit chaud, la poudre reste largement sous sa température de fusion ce qui permet de ne pas modifier ses caractéristiques.
Ί
Par opposition à d’autres procédés de revêtement par procédé de projection thermique (flamme, plasma, arc électrique, . . .) qui sont caractérisés par la projection de matière fondue, le procédé de projection dynamique de poudre, à vitesse supersonique par gaz sous pression, au travers d’une tuyère convergente divergente, affecte moins le support, et les poudres introduites et projetées subissent une élévation de température inférieure à leurs points de fusion.
Ce revêtement pourra être d’une épaisseur comprise entre environ une centaine de microns et plusieurs millimètres. Il est d’épaisseur suffisante pour créer une barrière isolante à l’air.
Cette technique permet de cibler les apports de matières et donc de réduire le coût des produits obtenus.
Typiquement la poudre projetée sera à base de cuivre sur un support en aluminium. D’autres cas sont possibles, comme du nickel ou de d’argent sur conducteur cuivre ou aluminium.
Ceci permet de traiter exclusivement les zones de contacts qui ne sont pas protégées de l’air par le film ou la feuille isolante électriquement ; cette feuille ayant alors une deuxième fonction d’étanchéité à l’air.
Dans le cas d’utilisation de conducteur en aluminium, la projection de poudre à base de cuivre sur les zones de contacts, permet aussi de résoudre les problèmes de corrosion galvanique.
Les conditions de projections et la nature de la poudre utilisée permettent d’obtenir une rugosité différente - le plus souvent supérieure - du revêtement que celle du substrat ; en particulier quand ce dernier est par exemple, une tôle laminée. Et de manière générale, un revêtement obtenu par projection dynamique de poudre à vitesse supersonique par gaz sous pression d’une épaisseur plutôt fine (10-50 microns) permet déjà d’obtenir une rugosité différente.
Avantageusement on peut ainsi par projection dynamique de poudre, à vitesse supersonique par gaz sous pression, traiter en débordant de la zone (5) sur les zones (7) (périphériques donc de cette zone (5)) pour former une couche (8) plus rugueuse que le substrat d’origine.
Ceci a l’avantage d’augmenter l’adhérence des feuilles isolantes car on augmente la surface de contact avec l’adhésif de la feuille isolante électriquement. On réduit donc les possibilités de fuites de courant qui s’établissent lorsque la feuille adhésive se décolle au niveau de ces bords libres.
Avantageusement, on peut aussi traiter des zones (10) périphériques de la plaque io conductrice afin de renforcer l’adhérence du film isolant sur ces zones et éviter d’éventuels décollements de ce film. Les conditions de projection seront différentes et le revêtement est plus mince que celui constitué sur une zone de contact.
La projection de poudre sur des zones prédéterminées permet de renforcer localement les sections de matières conductrices.
Avantageusement, on traite par projection dynamique d’une poudre conductrice, à vitesse supersonique par gaz sous pression, les zones (9) de la plaque conductrice à forte densité de courant pour, d’une part, augmenter la section de passage en déposant de la matière et, d’autre part, apporter un matériau éventuellement plus conducteur que celui constituant la plaque conductrice, afin de réduire la résistance électrique.
On détermine, préalablement à l’opération par essai ou calcul, les zones qui vont chauffer afin de les traiter.
L’épaisseur du matériau projetée peut être importante et constituer un rattrapage d’épaisseur ; voire même de constituer localement des plots de connexion avec des surfaces de contacts alignées sur un même plan. Cette hauteur pouvant être de plusieurs millimètres.
La figure 2 montre une coupe métallographique typique d’un revêtement obtenu par projection dynamique d’une poudre à base de cuivre sur un support en aluminium.
En (11) le substrat d’origine et en (13) le revêtement déposé par projection dynamique de poudre. On remarque la différence obtenue de rugosité du revêtement (14) par rapport à celui du substrat (12).
Ces circuits multicouches de distribution de courant électrique comprennent une succession de plaques (2) conductrices empilées, avec une couche (3) isolante électriquement localisée entre les plaques conductrices, ces dites plaques conductrices présentant des zones (5) de contacts destinées à établir une connexion avec un composant. Selon une caractéristique de ces circuits multicouches, localement des zones (5, 7,9) particulières desdits circuits sont porteur d’un revêtement obtenu par projection dynamique à vitesse supersonique d’une poudre conductrice au travers d’une tuyère convergente divergente à l’aide d’un gaz sous pression. L’énergie cinétique appliquée à la poudre permet à ces particules constituantes de se déformer physiquement lors de l’impact sur la plaque pour s’y ancrer et de constituer ainsi un revêtement.
Les zones particulières comprennent les zones 5 de contact, les zones 7 en périphérie de ces zones de contact, les zones 9 de fortes densité de courant et les zones 10 en périphérie des plaques conductrices.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS
    E Procédé de fabrication d’un circuit (1) 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 (3) isolante 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 ; ce procédé étant caractérisé en ce que localement au droit des zones (5) de contact on projette dynamiquement à vitesse supersonique et par gaz sous pression et au travers d’une tuyère convergente divergente sur ces zones de contacts une poudre conductrice dont les particules de ladite poudre vont lors de l’impact se déformer plastiquement, s’agglomérer et s’incruster dans la surface, au niveau de la zone de contact, et créer ainsi une couche conductrice électrique et protectrice vis-à-vis de l’atmosphère ambiante.
  2. 2. Procédé de fabrication d’un circuit multicouches de distribution selon la revendication 1 caractérisé en ce que on traite par projection dynamique, à vitesse supersonique au moyen d’un gaz sous pression, d’une poudre sur une surface (7) en périphérie de chaque zone (5) de contact pour former une couche mince pour augmenter la rugosité de cette zone périphérique, en vue de renforcer l’adhésion d’un revêtement isolant ajouté ultérieurement.
  3. 3. Procédé de fabrication d’un circuit multicouches de distribution selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce qu’on traite par projection dynamique, à vitesse supersonique par gaz sous pression, d’une poudre sur une zone (10) périphérique de la plaque pour augmenter la rugosité de cette zone périphérique, en vue de renforcer l’adhésion d’un revêtement isolant ajouté ultérieurement.
  4. 4. Procédé de fabrication d’un circuit multicouches de distribution selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’après avoir déterminé des zones (9) dans la plaque où un échauffement se produit, on dépose sur les zones identifiées, par projection dynamique, à vitesse supersonique par gaz sous pression, une poudre conductrice en vue d’augmenter localement la section de passage du courant et de diminuer la résistance électrique.
  5. 5. Procédé de fabrication d’un circuit multicouches de distribution selon la revendication 1 caractérisé en ce que on réalise des rattrapages de niveau des zones de connexions par dépôt localisé d’un volume de poudre conductrice par le procédé de projection dynamique à vitesse supersonique par gaz sous pression,
  6. 6. Procédé de fabrication d’un circuit multicouches de distribution selon la revendication 1 caractérisé par des conducteurs en aluminium et des dépôts de cuivre par projection dynamique à vitesse supersonique par gaz sous pression sur des zones (5) de connexions ; lesdites zones étant protégées contre la corrosion du fait du potentiel galvanique entre le cuivre et l’aluminium.
  7. 7. Circuit multicouches de distribution de courant électrique comprenant une succession de plaques (2) conductrices empilées, avec une couche isolante (3) électriquement localisée entre les plaques conductrices, ces dites plaques conductrices présentant des zones (5) de contacts destinées à établir une connexion avec un composant, ce circuit multicouche étant caractérisé en ce que localement des zones (5, 7, 9,10) particulières du circuit sont porteur d’un revêtement obtenu par projection à vitesse supersonique d’une poudre au travers d’une tuyère convergente divergente à l’aide d’un gaz sous pression.
  8. 8. Circuit multicouches selon la revendication 7 caractérisée en ce que les
    5 zones particulières comprennent les zones (5) de contact, les zones (7) en périphérie des zones de contacts, les zones (9) de fortes densité de courant et les zones(lO) en périphérie des plaques.
  9. 9. Circuit multicouches selon la revendication 8 caractérisé en ce que les îo zones de contacts et les zones de forte densité de courant portent un revêtement épais pour isoler les zones revêtues de l’atmosphère et bénéficier de la nature de la poudre.
  10. 10. Circuit multicouches selon la revendication 8 caractérisé en ce que les
  11. 15 zones périphériques aux zones de contacts et en périphérie de la plaque portent un revêtement augmentant la rugosité en vue d’un meilleur collage avec la feuille isolante électriquement venant dessus.
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