FR3112241A1 - Dispositif de refroidissement mis en œuvre dans une application d’électronique de puissance - Google Patents

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Abstract

Dispositif de refroidissement (100a, 100b) comportant une enveloppe (142a, 142b) et un matériau à changement de phase (MCP - 155), l’enveloppe étant électriquement conductrice et comprenant une portion creuse (143a, 143b) à l’intérieur de laquelle est définie au moins une cavité (154) contenant le MCP (155), l’enveloppe étant agencée pour être fixée, directement ou via au moins un élément de liaison électriquement conducteur, à un premier plot de contact (114a, 114b) appartenant à un premier composant électronique (101a, 101b) et à un deuxième plot de contact (140a, 140b) appartenant à un deuxième composant électronique ou bien formé sur un substrat (107), l’enveloppe établissant ainsi une connexion électrique entre les plots de contact tout en absorbant au moins une partie de la chaleur générée par un courant circulant sur ladite connexion électrique. FIGURE DE L’ABREGE : Fig.3

Description

Dispositif de refroidissement mis en œuvre dans une application d’électronique de puissance
L’invention concerne le domaine des dispositifs de refroidissement de composants électroniques, intégrés par exemple dans des modules électroniques de puissance de systèmes embarqués d’aéronef.
ARRIERE PLAN DE L’INVENTION
Les systèmes embarqués des aéronefs modernes sont toujours plus électriques, ce qui présente bien évidemment un grand nombre d’avantages : mise en œuvre de nouvelles fonctions, réduction de la masse, redondance des architectures, amélioration de la surveillance, etc.
L’une des difficultés rencontrées dans la mise en œuvre des systèmes électriques de puissance concerne la gestion de la chaleur produite par certains composants, et notamment par les composants électroniques appartenant à des modules électroniques de puissance et susceptibles d’être sollicités avec des puissances élevées.
Parmi ces modules électroniques de puissance, on trouve par exemple des modules électroniques de puissance qui mettent en œuvre les convertisseurs qui sont nécessaires pour l’électrification des systèmes (propulsifs et non propulsifs) à bord des aéronefs afin de convertir l’énergie électrique du réseau principal (115V AC, 230V AC, 540V DC, etc.) sous plusieurs formes (AC/DC, DC/AC, AC/AC et DC/DC), et qui pourront être sollicités au-delà de leur puissance de fonctionnement nominale durant des temps courts de l’ordre de quelques secondes à quelques dizaines de secondes. Ainsi, les systèmes et équipements suivants peuvent inclure des modules électroniques de puissance intégrant des composants électroniques qui peuvent être sollicités avec des puissances élevées pendant des temps courts (<100s) : systèmes d’hybridation des turbomachines (qui fournissent une assistance électrique aux turbomachines), équipements de protection électrique de type SSPC (pourSolid State Power Controllers), systèmes d’inverseurs de poussée électriques, etc.
Dans de telles applications, on prévoit généralement des radiateurs en face arrière des modules électroniques de puissance pour permettre, en mode opérationnel, d’évacuer la chaleur générée par la forte puissance (forts courants), via un fluide. Cependant, dans le cas de pics de puissance passagers ou transitoires, le radiateur présente une inertie trop grande pour être efficace.
Pour résoudre ce problème de pics de puissance transitoires à absorber, il est connu d’intégrer un matériau à changement de phase (MCP) dans le radiateur, plus précisément dans la base métallique qui conduit la température de la face arrière du substrat portant les composants d’électronique de puissance vers les ailettes du radiateur. Les MCPs sont des matériaux qui changent de phase et se transforment en phase liquide à une température spécifique en absorbant une quantité d’énergie. Cette énergie absorbée se traduit par un effet retardataire sur l’augmentation de la température à l’endroit où les MCPs sont placés. Il a aussi été prévu de recouvrir la surface sur et entre les ailettes par un MCP.
Cependant, cette solution n’a pas les effets escomptés pour deux raisons. Tout d’abord, les MCPs intégrés dans la base métallique du radiateur et/ou la couche superficielle de MCP appliquée au niveau des ailettes, sont des éléments éloignés de la source de température (les composants électroniques) : leur temps de réponse pour des pics de puissance transitoires est donc trop lent.
Par ailleurs, l’intégration de MCP dans la base du radiateur diminue les propriétés de conduction de température de la base. Une fois que le MCP a changé de phase, il ne peut plus absorber de chaleur et agit alors comme une résistance qui ralentit la propagation de chaleur dans la base du radiateur vers les ailettes. De manière imagée, la base devient comme une grille avec une section de passage limitée : les performances propres du radiateur sont diminuées. On peut compenser cela en augmentant la taille du radiateur, mais cela tend à augmenter la masse, le volume et le coût du système, et rend plus difficile son intégration.
Il a aussi été envisagé d’englober le composant d’électronique de puissance avec un MCP. Le MCP commence alors à fondre à l’interface avec le composant d’électronique de puissance, et le volume de la phase liquide continue à croître radialement à une vitesse limitée par la conductivité thermique. Cette configuration n’est pas optimale pour absorber une forte quantité de chaleur rapidement.
Le choix du MCP est de plus très contraignant, car le MCP doit être compatible avec les différents éléments avec lesquels il sera en contact. Le MCP doit aussi assurer une isolation électrique, et ne doit pas induire de fortes contraintes mécaniques sur les éléments fragiles tels que les fils de câblage.
Par ailleurs, le module électronique de puissance intégrant les composants électroniques et le MCP doit absolument rester en position horizontale, afin d’éviter l’écoulement du MCP et la perte du contact thermique avec les composants électroniques. Ceci constitue une forte contrainte en matière d’intégration, tout particulièrement pour un dispositif de puissance utilisé dans une application aéronautique.
OBJET DE L’INVENTION
L’invention a pour objet d’absorber la chaleur résultant de pics de puissance transitoires subis par un module électronique de puissance, sans augmenter la masse, le volume et le coût du module électronique de puissance, et sans complexifier son intégration.
En vue de la réalisation de ce but, on propose un dispositif de refroidissement adapté à être intégré dans un dispositif d’électronique de puissance et comportant une enveloppe et un matériau à changement de phase (MCP), l’enveloppe étant électriquement conductrice et comprenant une portion creuse à l’intérieur de laquelle est définie au moins une cavité contenant le MCP, l’enveloppe étant agencée pour être fixée, directement ou via au moins un élément de liaison électriquement conducteur, à un premier plot de contact appartenant à un premier composant électronique et à un deuxième plot de contact appartenant à un deuxième composant électronique ou bien formé sur un substrat, l’enveloppe établissant ainsi une connexion électrique entre le premier plot de contact et le deuxième plot de contact tout en absorbant au moins une partie de la chaleur générée par un courant circulant sur ladite connexion électrique.
Le dispositif de refroidissement selon l’invention remplit donc deux fonctions : il remplace un ou des fils de câblage en réalisant la connexion électrique entre le premier plot de contact et le deuxième plot de contact, et il absorbe la chaleur des forts courants circulant entre le premier plot de contact et le deuxième plot de contact. Le dispositif de refroidissement est donc situé au plus près du premier composant électronique et permet d’assurer une réponse très rapide aux pics de puissance transitoires. Le dispositif de refroidissement peut être couplé avec un autre système de refroidissement efficace pour l’évacuation de chaleur correspondant au mode de fonctionnement opérationnel nominal du premier composant électronique, l’autre système de refroidissement étant par exemple un radiateur à ailettes.
Le dispositif de refroidissement n’augmente ni la masse, ni le volume, ni le coût du module électronique de puissance dans lequel il est utilisé, et ne complexifie pas son intégration. Tout type de MCP peut être utilisé, car le MCP est confiné dans la cavité de la portion creuse de l’enveloppe.
On propose de plus un dispositif de refroidissement tel que précédemment décrit, dans lequel l’enveloppe est fixée par brasage au premier plot de contact et/ou au deuxième plot de contact.
On propose de plus un dispositif de refroidissement tel que précédemment décrit, dans lequel la portion creuse de l’enveloppe a une forme extérieure sensiblement plate, et comprend une face de contact fixée au premier plot de contact.
On propose de plus un dispositif de refroidissement tel que précédemment décrit, le premier composant électronique étant monté sur un substrat et le deuxième plot de contact étant formé sur ledit substrat, l’enveloppe comprenant de plus un pied qui s’étend verticalement depuis la face de contact de la portion creuse, une extrémité libre du pied étant agencée pour être fixée au deuxième plot de contact.
On propose de plus un dispositif de refroidissement tel que précédemment décrit, le premier composant électronique étant monté sur un substrat et le deuxième plot de contact étant formé sur ledit substrat, le dispositif de refroidissement comprenant en outre une cale, la cale étant électriquement conductrice et présentant une première extrémité et une deuxième extrémité, la première extrémité de la cale étant fixée à la face de contact de la portion creuse et la deuxième extrémité de la cale étant fixée au deuxième plot de contact.
On propose de plus un dispositif de refroidissement tel que précédemment décrit, comprenant de plus au moins un élément additionnel, le ou les éléments additionnels étant électriquement conducteurs et étant positionnés à l’intérieur de la ou des cavités pour être en contact à la fois avec une surface interne de la portion creuse et avec le MCP.
On propose de plus un dispositif de refroidissement tel que précédemment décrit, dans lequel le ou les éléments additionnels comprennent un picot métallique et/ou une mousse métallique et/ou une ailette métallique.
On propose de plus un dispositif de refroidissement tel que précédemment décrit, dans lequel la ou les cavités de la portion creuse de l’enveloppe débouchent à l’extérieur de la portion creuse.
On propose de plus un dispositif de refroidissement tel que précédemment décrit, dans lequel le dispositif de refroidissement comprend en outre un ou des bouchons agencés pour refermer la ou les cavités.
On propose de plus un dispositif de refroidissement tel que précédemment décrit, dans lequel la ou les cavités de la portion creuse de l’enveloppe comprennent plusieurs MCPs différents.
On propose en outre un module électronique de puissance comprenant un substrat, un premier composant électronique, un deuxième plot de contact et un dispositif de refroidissement tel que précédemment décrit, le premier composant étant monté sur le substrat, le deuxième plot de contact appartenant à un deuxième composant électronique lui aussi monté sur le substrat ou bien étant formé sur le substrat.
On propose en outre un module électronique de puissance tel que précédemment décrit, comprenant en outre un radiateur à ailettes monté sur une face du module électronique de puissance opposée à une face du module électronique de puissance sur laquelle est monté le premier composant électronique.
On propose en outre un module électronique de puissance tel que précédemment décrit, comprenant une pluralité de composants électroniques comprenant chacun un premier plot de contact, le dispositif de refroidissement étant agencé de sorte que l’enveloppe établisse une connexion électrique entre tous les premiers plots de contact.
On propose en outre un module électronique de puissance tel que précédemment décrit, comprenant en outre des deuxièmes plots de contact formés sur le substrat et associés chacun à l’un des composants électroniques, le dispositif de refroidissement étant agencé de sorte que l’enveloppe établisse une connexion électrique entre les premiers plots de contact des composants électroniques et les deuxièmes plots de contact formés sur le substrat.
On propose en outre un module électronique de puissance tel que précédemment décrit, les composants électroniques étant des transistors montés en parallèle pour constituer une cellule de commutation d’un bras d’onduleur.
On propose aussi un bus-barre intégrant un dispositif de refroidissement tel que précédemment décrit.
On propose de plus un assemblage comprenant un bus-barre tel que précédemment décrit et un composant électronique, le bus-barre comportant un premier dispositif de refroidissement et un deuxième dispositif de refroidissement tels que précédemment décrits, comprenant respectivement une première enveloppe et une deuxième enveloppe ayant chacune une forme extérieure sensiblement plate et longitudinale, la première enveloppe et la deuxième enveloppe étant superposées et disposées parallèlement l’une par rapport à l’autre et étant séparées par une couche d’isolation, le bus-barre comprenant en outre une cale électriquement conductrice ayant une première extrémité fixée à la première enveloppe, le composant électronique comprenant un premier plot de contact fixé à la deuxième enveloppe et un deuxième plot de contact fixé à la deuxième extrémité de la cale.
L’invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit d’un mode de mise en œuvre particulier non limitatif de l’invention.
Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
la figure 1 représente un circuit électronique comprenant deux transistors ;
la figure 2 est une vue en coupe d’un module électronique de puissance de l’art antérieur sur lequel sont montés deux transistors d’une cellule de commutation ;
la figure 3 est une vue similaire à la figure 2, avec un module électronique de puissance comprenant des dispositifs de refroidissement selon l’invention ;
la figure 4 liste des MCPs susceptibles d’être utilisés dans l’invention ;
la figure 5 représente deux cellules de commutation ;
la figure 6 est une vue de dessus du substrat du module électronique de puissance ;
la figure 7 est une vue similaire à la figure 6, sur laquelle sont représentés en outre les dispositifs de refroidissement ;
la figure 8 est une vue similaire à la figure 7, sur laquelle est représenté en outre un circuit de commande ;
la figure 9 représente un bus-barre comprenant deux dispositifs de refroidissement selon l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
On décrit tout d’abord la mise en œuvre de l’invention dans un dispositif d’électronique de puissance qui est un module électronique de puissance comportant des composants d’électronique de puissance. Les composants d’électronique de puissance sont ici des composants semi-conducteurs, tels que des diodes ou des transistors, qui sont interconnectés pour réaliser des fonctions électriques plus ou moins complexes.
Dans l’exemple de la figure 1, les composants d’électronique de puissance comportent un premier transistor 1a et un deuxième transistor 1b.
Le premier transistor 1a comprend un drain 2a, une grille 3a et une source 4a. Le drain 2a est relié à une tension de référence positive V+. La source 4a est reliée à une phase Ph. Des premiers signaux de commande Sa sont appliqués sur la grille 3a.
Le deuxième transistor 1b comprend un drain 2b, une grille 3b et une source 4b. Le drain 2b est relié à la source 4a du premier transistor 1a et donc à la phase Ph. La source 4b est reliée à une tension de référence négative V-. Des deuxièmes signaux de commande Sb sont appliqués sur la grille 3b.
En référence à la figure 2, un module électronique de puissance de l’art antérieur 5, intégrant le premier transistor 1a et le deuxième transistor 1b, comporte un substrat 7 comprenant une couche électriquement isolante, et deux couches métalliques. La couche électriquement isolante est ici fabriquée en un matériau céramique. Les deux couches métalliques comprennent une couche de cuivre inférieure 8a et une couche de cuivre supérieure 8b.
La couche électriquement isolante du substrat 7 est positionnée entre les deux couches de cuivre 8a, 8b.
Les deux couches de cuivre 8a, 8b peuvent être assemblées à la couche électriquement isolante du substrat 7 par différentes techniques, comme par exemple par brasage (on parle, en terminologie anglo-saxonne, d’«Active Metal Brazing» ou encore « AMB »), par liaison directe du cuivre (ou en terminologie anglo-saxonne «Direct Bonded Copper», ou bien « DBC »), ou encore par liaison directe d’aluminium (on parle, en terminologie anglo-saxonne, de «Direct Bonded Aluminium», ou bien « DBA »). La couche de cuivre supérieure 8b est appelée circuit de puissance. Le module électronique de puissance 5 comporte un joint d’interconnexion électrique et/ou mécanique par l’intermédiaire duquel les transistors 1 et les connectiques sont assemblés au circuit de puissance.
La couche de cuivre supérieure 8b comporte une piste de phase 9 reliée à la phase Ph, une piste positive 10 reliée à la tension de référence positive V+, et une piste négative 11 reliée à la tension de référence négative V-.
Le premier transistor 1a est une puce de forme parallélépipédique et comporte un plot de contact 12a du drain 2a qui occupe toute la face inférieure du premier transistor 1a, ainsi qu’un plot de contact 13a de la grille 3a et un plot de contact 14a de la source 4a qui sont situés sur la face supérieure du premier transistor 1a. Le plot de contact 12a du drain 2a est fixé par brasage à la piste positive 10. Une couche de métal d’apport 6a (brasure) est visible entre le plot de contact 12a du drain 2a et la piste positive 10.
De même, le deuxième transistor 1b présente une forme parallélépipédique et comporte un plot de contact 12b du drain 2b qui occupe toute la face inférieure du deuxième transistor 1b, ainsi qu’un plot de contact 13b de la grille 3b et un plot de contact 14b de la source 4b qui sont situés sur la face supérieure du deuxième transistor 1b. Le plot de contact 12b du drain 2b est fixé par brasage à la piste de phase 9. Une couche de métal d’apport 6b (brasure) est visible entre le plot de contact 12b du drain 2b et la piste de phase 9.
Dans toute cette description, par « plot de contact », on entend toute sorte de terminaison métallique pouvant appartenir à un composant ou être formée sur un substrat : métallisation, plot, patte, broche, pin, empreinte, pastille,pad, etc.
Les plots de contact des transistors 1 sont des métallisations (par exemple en aluminium) formées sur les transistors 1.
Le module électronique de puissance 5 comporte de plus un circuit de commande 15 sur lequel cheminent les premiers signaux de commande Sa et les deuxièmes signaux de commande Sb.
Le premier transistor 1a et le deuxième transistor 1b sont interconnectés électriquement entre eux à l’aide de fils de câblage. De même, des fils de câblage sont utilisés pour connecter au circuit de commande 15 le plot de contact 13a de la grille 3a du premier transistor 1a, et le plot de contact 13b de la grille 3b du deuxième transistor 1b.
Ainsi, le plot de contact 14a de la source 4a du premier transistor 1a est relié par un fil de câblage 16 à la piste de phase 9. Le plot de contact 13a de la grille 3a est relié par un fil de câblage 17 au circuit de commande 15.
Le plot de contact 14b de la source 4b du deuxième transistor 1b est relié par un fil de câblage 18 à la piste négative 11. Le plot de contact 13b de la grille 3b est relié par un fil de câblage 19 au circuit de commande 15.
Du fait de leurs imperfections, le premier transistor 1a et le deuxième transistor 1b sont le siège de pertes par effet Joule et donc représentent une source importante de chaleur.
Un radiateur à ailettes 20 est donc positionné contre la couche de cuivre inférieure 8a. Le radiateur à ailettes 20 est monté sur une face du module électronique de puissance 5 opposée à une face du module électronique de puissance 5 sur laquelle sont montés les transistors 1.
Le radiateur à ailettes 20 comporte une base 21 et des ailettes 22 qui s’étendent verticalement et vers le bas depuis la base 21. Une couche de matériau d’interface thermique (TIM) 23, telle qu’une graisse thermique ou un film élastomère, est appliquée sur la couche de cuivre inférieure 8a, et la base 21 du radiateur à ailettes 20 est fixée à la couche de cuivre inférieure 8a. La couche de matériau d’interface thermique 23 est donc située entre la couche de cuivre inférieure 8a et la base 21 du radiateur à ailettes 20 et permet de réduire la résistance thermique de contact entre le substrat 7 et le radiateur à ailettes 20 pour assurer une meilleure évacuation du flux thermique. Les ailettes 22 du radiateur à ailettes 20 permettent de réduire d’autant plus la résistance thermique de ce dernier. Les ailettes 22 sont traversées par un fluide de refroidissement, par exemple par de l’air.
Le module électronique de puissance 5 de l’art antérieur permet le refroidissement des transistors 1 lorsque ces derniers fonctionnent en mode nominal. Si des pics de puissance transitoires sont nécessaires pendant des temps courts sur les transistors 1, il faut soit surdimensionner le module électronique de puissance 5 (c’est-à-dire introduire des composants additionnels qui ne sont pas utilisés en plein régime en mode nominal), soit augmenter la taille du radiateur à ailettes 20. Ces deux solutions induisent une augmentation de la masse, du volume et du coût du module électronique de puissance 5.
L’invention permet d’améliorer l’efficacité du refroidissement lors de la survenue de pics de puissance transitoires, sans présenter les inconvénients qui viennent d’être cités.
Les fils de câblage 16, 18 du module électronique de puissance 5, sur lesquels cheminent les forts courants, sont remplacés par des dispositifs de refroidissement selon l’invention.
En référence à la figure 3, le module électronique de puissance 105 comporte donc un premier dispositif de refroidissement 100a et un deuxième dispositif de refroidissement 100b.
Chaque dispositif de refroidissement 100 est agencé pour connecter électriquement un premier plot de contact appartenant à un premier composant électronique et un deuxième plot de contact appartenant à un deuxième composant électronique ou bien formé sur le substrat 107.
Ici, le premier dispositif de refroidissement 100a connecte électriquement le plot de contact 114a (premier plot de contact) de la source du premier transistor 101a à un plot de contact 140a (deuxième plot de contact) formé sur le substrat 107, qui est un plot de contact relié ou appartenant à la piste de phase 109.
Le deuxième dispositif de refroidissement 100b connecte électriquement le plot de contact 114b (premier plot de contact) de la source du deuxième transistor 101b à un plot de contact 140b (deuxième plot de contact) formé sur le substrat 107, qui est un plot de contact relié ou appartenant à la piste négative 111.
Le premier dispositif de refroidissement 100a comporte tout d’abord une enveloppe 142a. L’enveloppe 142a est électriquement conductrice, et est en l’occurrence fabriquée avec un matériau métallique.
L’enveloppe 142a peut être fabriquée par différentes techniques : usinage, coulage, fabrication additive, soudage, brasage, ou par combinaison de plusieurs techniques. Le matériau métallique utilisé pour fabriquer l’enveloppe 142a peut être du cuivre, du tungstène, du molybdène, de l’aluminium ou tout autre matériau ou alliage présentant des conductivités électrique et thermique élevées (de préférence supérieures à 107S·m-1et à 100W/mK respectivement).
L’enveloppe 142a comprend une portion creuse 143a et un pied 144. Le pied 144 de l’enveloppe 142a s’étend verticalement depuis une face de contact 145a de la portion creuse 143a. L’enveloppe 142a est ici un élément monobloc, c’est-à-dire que la portion creuse 143a et le pied 144 appartiennent à une même pièce.
L’enveloppe 142a est fixée, directement ou via au moins un élément de liaison électriquement conducteur, au plot de contact 114a de la source du premier transistor 101a et au plot de contact 140a formé sur le substrat 107. Le premier dispositif de refroidissement 100a ne comporte pas d’élément de liaison électriquement conducteur : l’enveloppe 142a est fixée directement à la fois au plot de contact 114a de la source 104a du premier transistor 101a et au plot de contact 140a formé sur le substrat 107.
La portion creuse 143a de l’enveloppe 142 a une forme extérieure sensiblement plate, c’est-à-dire que la portion creuse 143a a pour forme extérieure la forme d’une plaque. La portion creuse 143a de l’enveloppe 142a comprend une face supérieure et une face inférieure (définies selon l’orientation du module électronique de puissance 105 sur la figure 3). La face supérieure et la face inférieure (tout comme d’ailleurs les faces latérales) ont une forme rectangulaire. La face inférieure forme la face de contact 145a qui est fixée par brasage au plot de contact 114a de la source. On aperçoit une couche de métal d’apport 146 entre le plot de contact 114a de la source et la face de contact 145a.
L’extrémité libre du pied 144 est fixée par brasage au plot de contact 140a formé sur le substrat 107. On aperçoit une couche de métal d’apport 147 entre le plot de contact 140a et l’extrémité libre du pied 144.
Le pied 144 remplit à la fois une fonction mécanique et électrique.
Le pied 144 permet de maintenir en position horizontale la portion creuse 143a, de manière parfaitement stable. La hauteur du pied 144 permet de compenser la différence de hauteur entre la couche de cuivre supérieure 108b et la face de contact 145a de la portion creuse 143a. Le pied 144 a donc une hauteur sensiblement égale à celle du premier transistor 101a.
Le pied 144 permet aussi de relier électriquement le plot de contact 140a de la piste de phase 109 à la portion creuse 143a et donc au plot de contact 114a de la source 104a du premier transistor 101a.
Bien sûr, l’enveloppe 142a du premier dispositif de refroidissement 100a pourrait comporter une pluralité de pieds : le nombre de pieds et leurs surfaces dépendent en pratique du nombre de plots de contact à relier et du courant à transmettre.
Le deuxième dispositif de refroidissement 100b est semblable au premier dispositif de refroidissement 100a, si ce n’est que le pied est remplacé par une cale 150 électriquement conductrice. La cale 150 est fabriquée avec le même matériau métallique que l’enveloppe 142b. La cale 150 présente une première extrémité 151 et une deuxième extrémité 152. La première extrémité 151 est fixée par brasage à la face de contact 145b de la portion creuse 143b, et la deuxième extrémité 152 est fixée au plot de contact 140b de la piste négative 109. Ainsi, l’enveloppe 142b est cette fois fixée au plot de contact 140b de la piste négative 111 non pas directement mais via un élément de liaison électriquement conducteur, qui est la cale 150.
La cale 150 joue exactement le même rôle que le pied 144. L’utilisation de cales 150 a pour inconvénient de nécessiter des pièces supplémentaires. Par contre, l’utilisation de cales 150 permet d’avoir un dispositif de refroidissement 100 moins spécifique et plus modulaire : un même dispositif de refroidissement 100 peut être utilisé pour des composants de hauteur différente en adaptant uniquement la cale 150.
On décrit maintenant plus en détail la portion creuse 143 de l’enveloppe 142 de chaque dispositif de refroidissement 100 associé à un transistor 101.
La portion creuse 143 couvre la surface la plus large de la métallisation du transistor 101 consacrée pour la partie puissance, c’est-à-dire ici du plot de contact 114 de la source.
Une ou plusieurs cavités 154, remplies chacune par le MCP 155, sont définies à l’intérieur de la portion creuse 143. Ici, la portion creuse 143 comporte une unique cavité 154.
La portion creuse 143 comprend au moins une ouverture pour introduire le MCP 155 dans la cavité 154.
Le dispositif de refroidissement 100 comprend de plus un ou plusieurs éléments additionnels électriquement conducteurs 156 qui sont positionnés à l’intérieur de la cavité 154 pour être en contact à la fois avec une surface interne de la portion creuse 143 et avec le MCP 155. Les éléments additionnels 156 permettent d’augmenter la surface de l’enveloppe 142 en contact avec le MCP 155.
En effet, sachant que la conductivité thermique des MCPs organiques est souvent faible (<2W/mK), cette surface de contact étendue permet d’augmenter la quantité de matière en contact avec des surfaces chaudes ayant une température proche de celle du transistor 101 (due à la bonne conductivité du métal) et ainsi d’augmenter la quantité de chaleur absorbée sur de courtes durées.
Les éléments additionnels 156 comprennent un ou des picots métalliques et/ou une mousse métallique et/ou une ou des ailettes métalliques. Ici, les éléments additionnels sont des picots métalliques.
Le MCP 155, contenu dans les cavités 154 des enveloppes 142, est un matériau initialement solide qui change de phase avec une réaction endothermique qui a lieu à une température de fusion du MCP 155. La température de fusion du MCP 155 est inférieure à la température maximale autorisée pour le transistor 101, et supérieure à la température de fonctionnement du transistor 101 en mode nominal.
Plusieurs matériaux avec différentes températures de fusion et chaleurs latentes peuvent être inclus dans la portion creuse 143 de l’enveloppe 142. Ces derniers peuvent être en contact direct entre eux ou localisés dans des parties séparées dans la plaque. L’avantage de mettre plusieurs MCPs avec différentes propriétés est que cela introduit plus de variantes pour avoir la possibilité de mieux contrôler la température des composants selon les profils de missions imposés. Un large choix de MCPs est permis. En effet, le MCP est confiné à l’intérieur de l’enveloppe métallique (pas de rôle d’isolation, contact avec un seul matériau, pas de contraintes sur des éléments fragiles, etc.). Le ou les MCPs peuvent être choisis parmi les catégories de la figure 4.
Le MCP peut être introduit dans les cavités 154 de la portion creuse 143 en état solide ou liquide, avant ou après le procédé d’attache.
On note que le module électronique de puissance 105 comporte à nouveau un radiateur à ailettes 120 semblable au radiateur à ailettes 20, et une couche de matériau d’interface thermique (TIM) 123 appliquée entre la couche de cuivre inférieure 108a et la base 121 du radiateur à ailettes 120. Le radiateur à ailettes 120 est à nouveau monté sur une face du module électronique de puissance opposée à une face du module électronique de puissance sur laquelle sont montés les transistors 101.
Le module électronique de puissance 105 de l’invention se distingue donc du module électronique de puissance 5 de l’art antérieur en ce que les fils de câblage 16, 18, utilisés pour réaliser les interconnexions électriques entre le plot de contact 14a de la source 4a du premier transistor 1a et la piste de phase 9, et entre le plot de contact 14b de la source 4b du deuxième transistor 1b et la piste négative 11, sont remplacés respectivement par le premier dispositif de refroidissement 100a et le deuxième dispositif de refroidissement 100b.
L’invention permet d’augmenter la fiabilité des composants semi-conducteurs et des assemblages utilisés en évitant la surchauffe des composants et les variations rapides de température dans les assemblages.
Il n’est ainsi pas nécessaire de surdimensionner le module électronique de puissance 105 ou le système de refroidissement pour gérer les pics de puissance.
L’invention permet de découpler le problème des transitoires de puissance de celui de la gestion thermique opérationnelle. Le module électronique de puissance 105 comprend ainsi, d’une part, un radiateur 120 performant, de taille optimisée et efficace pour l’évacuation de chaleur correspondant au mode de fonctionnement opérationnel du module électronique de puissance (puissance nominale), et d’autre part un autre dispositif d’évacuation de la chaleur spécialement adapté aux transitoires.
Les deux faces de chaque composant semi-conducteur actif (source de chaleur) sont refroidies : l’absorption des pics de chaleur rapides est principalement réalisée via l’une des faces, et le refroidissement en fonctionnement en mode nominal est principalement réalisé via l’autre des faces.
Les enveloppes 142 permettent d’assurer des ponts thermiques entre les composants et le substrat (meilleur distribution de température).
Les enveloppes 142 permettent aussi au MCP d’être très proche des composants semi-conducteurs pour assurer une réponse très rapide aux pics de puissance transitoires.
En référence aux figures 5 à 8, on décrit maintenant un procédé d’assemblage d’un module électronique de puissance 160 comprenant un premier dispositif de refroidissement 161a et un deuxième dispositif de refroidissement 161b.
Le module électronique de puissance 160 comprend deux cellules de commutation d’un bras onduleur : S1 et S2 (voir figure 5). Chaque cellule de commutation S1, S2 est constituée de plusieurs composants de puissance élémentaires connectés en parallèle, en l’occurrence de quatre transistors 163 qui sont alignés ici selon une longueur du substrat (voir figure 6).
La première cellule de commutation S1 comporte donc quatre premiers transistors 163a, et la deuxième cellule de commutation S2 comporte quatre deuxièmes transistors 163b. On note que chaque cellule de commutation S1, S2 comprend une diode de roue libre (non représentée) qui est incluse dans le volume de transistor.
En référence à la figure 6, les premiers transistors 163a et les deuxièmes transistors 163b sont tout d’abord montés sur le substrat isolant 164 (fabriqué par exemple en céramique ou en polymère), qui est métallisé.
Chaque transistor 163 comporte sur sa face supérieure des métallisations 166 qui sont des plots de contact reliés à la source, et des métallisations 172 qui sont des plots de contact reliés à la grille.
Deux plots de contact, formés sur le substrat 164, sont associés à chaque premier transistor 163a et deuxième transistor 163b. Des cales 168 sont fixées par brasage sur chacun de ces plots de contact. Deux cales 168 sont donc associées à chaque premier transistor 163a et à chaque deuxième transistor 163b. Les cales 168 permettent de compenser la hauteur des transistors.
Puis, en référence à la figure 7, l’enveloppe 170a du premier dispositif de refroidissement 161a est fixée par brasage aux métallisations 166 des premiers transistors 163a et aux cales 168 associées aux premiers transistors 163a.
De même, l’enveloppe 170b du deuxième dispositif de refroidissement 161b est fixée par brasage aux métallisations 166 des deuxièmes transistors 163b et aux cales 168 associées aux deuxièmes transistors 163b.
On voit que chaque enveloppe 170 comporte une pluralité de cavités qui sont ici réparties sur toute la surface de la face supérieure de la portion creuse, à la manière d’une grille.
Chaque enveloppe 170 a été préalablement remplie de MCP qui a été injecté via une ouverture 171 située sur la face supérieure de l’enveloppe 170.
Enfin, en référence à la figure 8, les métallisations 172 des grilles des premiers transistors 163a et des deuxièmes transistors 163b sont connectés électriquement au circuit de commande 173 via des fils de câblage 174.
Le principe de base de l’invention peut aussi permettre de gérer les pics de puissance transitoires des composants passifs comme les condensateurs ou les inductances qui seront connectés électriquement, mécaniquement et thermiquement sur des enveloppes comprenant des portions creuses incluant du MCP. Les enveloppes assurent les connexions électriques et permettent de gérer des pics de puissance transitoires dissipés dans les composants passifs grâce au MCP intégré dans les enveloppes.
On décrit maintenant la mise en œuvre de l’invention dans un dispositif d’électronique de puissance qui est un bus-barre.
On voit sur la figure 9 un assemblage comprenant un bus-barre 180 et un composant électronique. Le composant électronique est ici un composant passif, en l’occurrence un condensateur 181. Le composant électronique intégré dans un tel assemblage pourrait être un composant passif différent, par exemple une inductance, ou bien un composant actif.
Le bus-barre 180 comporte un premier dispositif de refroidissement 182a et un deuxième dispositif de refroidissement 182b, comprenant respectivement une première enveloppe 183a et une deuxième enveloppe 183b. La première enveloppe 183a et la deuxième enveloppe 183b ont chacune une forme extérieure sensiblement plate et longitudinale. La première enveloppe 183a et la deuxième enveloppe 183b sont superposées et disposées parallèlement l’une par rapport à l’autre. La première enveloppe 183a et la deuxième enveloppe 183b sont séparées par une couche d’isolation 184.
Le bus-barre 180 comprend de plus une cale 185 électriquement conductrice ayant une première extrémité fixée à la première enveloppe 183a.
Le condensateur 181 comprend un premier plot de contact fixé à la deuxième enveloppe 183b et un deuxième plot de contact fixé à la deuxième extrémité de la cale 185.
La première enveloppe 183a et la deuxième enveloppe 183b comprennent chacune une portion creuse 186 comprenant une cavité remplie de MCP 187.
Le changement de phase du MCP 187 permet de retarder la montée en température du condensateur 181. Là aussi, le MCP 187 est choisi de façon à ce qu’il change de phase avec une réaction endothermique qui a lieu à une température inférieure à la température maximale autorisée pour le condensateur et supérieure à la température de fonctionnement du condensateur en mode nominal.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications.
On a parlé ici principalement de fixation par brasage. Cependant, l’enveloppe du dispositif de refroidissement, les cales, les plots de contact des composants et du substrat, etc., pourraient être fixés les uns aux autres de manière différente, par exemple par soudage, frittage, collage, etc.
La ou les cavités formées dans la portion creuse de l’enveloppe du dispositif de refroidissement peuvent avoir des formes quelconques. Les cavités de la portion creuse pourraient déboucher à l’extérieur de la portion creuse au niveau de la face supérieure de celle-ci, de sorte que les cavités sont remplies de MCP directement par les cavités elles-mêmes. Le dispositif de refroidissement peut alors comprendre des bouchons utilisés pour refermer les cavités.

Claims (17)

  1. Dispositif de refroidissement (100a, 100b) adapté à être intégré dans un dispositif d’électronique de puissance et comportant une enveloppe (142a, 142b) et un matériau à changement de phase (MCP - 155), l’enveloppe étant électriquement conductrice et comprenant une portion creuse (143a, 143b) à l’intérieur de laquelle est définie au moins une cavité (154) contenant le MCP (155), l’enveloppe étant agencée pour être fixée, directement ou via au moins un élément de liaison électriquement conducteur, à un premier plot de contact (114a, 114b) appartenant à un premier composant électronique (101a, 101b) et à un deuxième plot de contact (140a, 140b) appartenant à un deuxième composant électronique ou bien formé sur un substrat (107), l’enveloppe établissant ainsi une connexion électrique entre le premier plot de contact et le deuxième plot de contact tout en absorbant au moins une partie de la chaleur générée par un courant circulant sur ladite connexion électrique.
  2. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, dans lequel l’enveloppe est fixée par brasage au premier plot de contact et/ou au deuxième plot de contact.
  3. Dispositif de refroidissement selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la portion creuse (143a, 143b) de l’enveloppe (142a, 142b) a une forme extérieure sensiblement plate, et comprend une face de contact (145a, 145b) fixée au premier plot de contact.
  4. Dispositif de refroidissement selon la revendication 3, le premier composant électronique étant monté sur un substrat (107) et le deuxième plot de contact (140a) étant formé sur ledit substrat, l’enveloppe (142a) comprenant de plus un pied (144) qui s’étend verticalement depuis la face de contact (145a) de la portion creuse, une extrémité libre du pied étant agencée pour être fixée au deuxième plot de contact.
  5. Dispositif de refroidissement selon la revendication 3, le premier composant électronique étant monté sur un substrat (107) et le deuxième plot de contact (140b) étant formé sur ledit substrat, le dispositif de refroidissement comprenant en outre une cale (150), la cale étant électriquement conductrice et présentant une première extrémité (151) et une deuxième extrémité (152), la première extrémité de la cale étant fixée à la face de contact (145b) de la portion creuse (143b) et la deuxième extrémité de la cale étant fixée au deuxième plot de contact.
  6. Dispositif de refroidissement selon l’une des revendications précédentes, comprenant de plus au moins un élément additionnel (156), le ou les éléments additionnels étant électriquement conducteurs et étant positionnés à l’intérieur de la ou des cavités pour être en contact à la fois avec une surface interne de la portion creuse (143a, 143b) et avec le MCP (155).
  7. Dispositif de refroidissement selon la revendication 6, dans lequel le ou les éléments additionnels (156) comprennent un picot métallique et/ou une mousse métallique et/ou une ailette métallique.
  8. Dispositif de refroidissement selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la ou les cavités de la portion creuse de l’enveloppe débouchent à l’extérieur de la portion creuse.
  9. Dispositif de refroidissement selon la revendication 8, dans lequel le dispositif de refroidissement comprend en outre un ou des bouchons agencés pour refermer la ou les cavités.
  10. Dispositif de refroidissement selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la ou les cavités de la portion creuse de l’enveloppe comprennent plusieurs MCPs différents.
  11. Module électronique de puissance (105) comprenant un substrat (107), un premier composant électronique (101a, 101b), un deuxième plot de contact (140a, 140b) et un dispositif de refroidissement (100a, 100b) selon l’une des revendications 1 à 10, le premier composant étant monté sur le substrat, le deuxième plot de contact appartenant à un deuxième composant électronique lui aussi monté sur le substrat ou bien étant formé sur le substrat.
  12. Module électronique de puissance (105) selon la revendication 11, comprenant en outre un radiateur à ailettes (120) monté sur une face du module électronique de puissance opposée à une face du module électronique de puissance sur laquelle est monté le premier composant électronique.
  13. Module électronique de puissance selon l’une des revendications 11 ou 12, comprenant une pluralité de composants électroniques (163a, 163b) comprenant chacun un premier plot de contact, le dispositif de refroidissement (161a, 161b) étant agencé de sorte que l’enveloppe établisse une connexion électrique entre tous les premiers plots de contact.
  14. Module électronique de puissance selon la revendication 13, comprenant en outre des deuxièmes plots de contact formés sur le substrat et associés chacun à l’un des composants électroniques, le dispositif de refroidissement étant agencé de sorte que l’enveloppe établisse une connexion électrique entre les premiers plots de contact des composants électroniques et les deuxièmes plots de contact formés sur le substrat.
  15. Module électronique de puissance selon l’une des revendications 13 ou 14, les composants électroniques étant des transistors (163a, 163b) montés en parallèle pour constituer une cellule de commutation d’un bras d’onduleur.
  16. Bus-barre (180) intégrant un dispositif de refroidissement selon l’une des revendications 1 à 9.
  17. Assemblage comprenant un bus-barre selon la revendication 16 et un composant électronique (181), le bus-barre (180) comportant un premier dispositif de refroidissement (182a) et un deuxième dispositif de refroidissement (182b) selon l’une des revendications 1 à 9, comprenant respectivement une première enveloppe (183a) et une deuxième enveloppe (183b) ayant chacune une forme extérieure sensiblement plate et longitudinale, la première enveloppe et la deuxième enveloppe étant superposées et disposées parallèlement l’une par rapport à l’autre et étant séparées par une couche d’isolation (184), le bus-barre comprenant en outre une cale (185) électriquement conductrice ayant une première extrémité fixée à la première enveloppe, le composant électronique comprenant un premier plot de contact fixé à la deuxième enveloppe (183b) et un deuxième plot de contact fixé à la deuxième extrémité de la cale.
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