Boîtier économique pour composants électroniques de puissance a fixer sur dissipateur thermique et son procédé de fabrication.
La présente invention concerne les boîtiers pour composants électro¬ niques de puissance a fixer sur dissipateur thermique. II existe actuellement sur le marché de tels boîtiers présentant des cosses raccordables à des appareils, avec lesquels ils sont utilisés, au moyen de connexions vissées, boulonnées ou encore emmanchées comme le sont les cosses type Faston. Ces boîtiers sont voués à être plaqués sur des radiateurs de refroidissement avec lesquels ils entrent en contact thermique par une de leurs faces (face thermique).
Dans certains modèles, cette face thermique est métallique et la face opposée, interne au boîtier, porte par l'intermédiaire d'une "lame diélectri¬ que" mince les composants protégés par un surmoulage rigide isolant. Un deuxième rôle de ce surmoulage est d'assurer la stabilité des conducteurs in- ternes et des connexions vers l'extérieur (cosses). Les écarts importants entre les coefficients de dilatation thermique des matériaux de natures diffé¬ rentes (métalliques, céramiques, organiques) forcés à coexister en contact intime, entraînent lors des variations imposées de température (par ex. -65* C + 150' C) le développement de contraintes mécaniques. Ces contraintes méca- niques sont d'autant plus intenses que les éléments contenus dans ces boî¬ tiers sont de grandes dimensions. Au-delà d une taille critique, il devient dif¬ ficile, sinon impossible, de maîtriser les conséquences destructrices de ces contraintes.
De plus, le principe du surmoulage nécessite des investissements et des opérations lourds et coûteux. Enfin, les éléments à protéger doivent résister aux intenses contraintes thermiques et mécaniques développées lors de l'in¬ jection et de la polymérisation de la composition de surmoulage.
Une autre structure classique conduit à couvrir le composant d'un ca¬ pot (moule perdu), comportant les cosses vers l'extérieur, et à remplir l'es- pace intérieur laissé libre par les éléments contenus, par une composition qui doit rester souple et adhérente après solidification à température modé¬ rée. Malheureusement, ces compositions sont sujettes, sous l'effet des varia¬ tions de température définies par les cahiers des charges (-65* C à + 150" C), à des variations de volume d'autant plus considérables qu'elles sont plus souples. C'est pourquoi leur surface doit rester libre et que le capot ne peut être rempli. Par suite, l'orifice d'introduction doit être obturé au cours d'une opération complémentaire. De plus, la structure d'encapsulation présente deux nécessités :
- la liaison des cosses avec le capot, réalisée soit par la technique des prison¬ niers lors du moulage du capot, soit par collage ultérieur au capot,
- le raccordement entre la partie interne des cosses et les composants contenus. Un premier objet de l'invention est de prévoir un boîtier pour compo¬ sants développant un fort rapport puissance sur volume.
Un autre objet de l'invention est de prévoir un boîtier qui assure aux composants qu'il protège une présentation économique et une mise en place rationnelle sur l'appareil récepteur. Aussi le boîtier de l'invention ne comporte qu'un petit nombre de pièces .assemblées au cours d'un nombre réduit d'opérations.
En plus de ces dispositions, la structure de ce boîtier présente :
- un frein thermique minimal entre le(s) composant(s) contenu(s) et le radiateur dissipateur sur lequel sa forme le prédestiné à, être plaqué conjointement aux composants voisins avec lesquels il coopère.
- Une fixation des cosses de forme particulière et leur raccordement, sur les composants contenus, fiables et économiques.
- Une rationalisation poussée du câblage avec les composants voisins, ce qui autorise des longueurs de connexions minimales. - Une encapsulation dont le principe garantit, sinon l'absence, tout au moins une réduction drastique des effets mécaniques destructeurs développés par les coefficients de dilatations sous l'influence des variations de température.
Pour satisfaire au mieux ces rôles, la face thermique du boîtier de l'invention est constituée d une feuille mince électriquement isolante et thermiquement conductrice. Sur la face opposée de la dite feuille est (sont) disposé(s) en contact intime avec elle le(s) élément(s) électrique(s) conte¬ nus^).
Cette feuille est choisie dans un matériau tel que : alumine, oxyde de be- ryllium, nitrure d'aluminium, métal émaillé, ... Cette liste n'étant pas limita¬ tive.
Ce boîtier est apte à recevoir tous les types de composants électroniques et, en particulier, les résistances de puissance. Dans ce cas, la fonction résis¬ tive est avantageusement assurée par une couche de cermet conducteur et soudable, mais le choix de ce type de résistance n'est pas exclusif. Par exemple, l'élément résistant pourra être constitué d'une feuille métallique. Le premier rôle du boîtier de l'invention est de maintenir en pression la dite feuille mince équipée des dits éléments électriques contre le radiateur dissipateur.
Les autres rôles du boîtier de l'invention sont d'assurer la stabilité des cosses, la protection des éléments contenus et leur identification.
De plus, la forme particulière des cosses et l'ancrage des dites cosses leur assurent une robustesse optimale pour un coût avantageux. Un avantage de la structure du boîtier de l'invention est qu'elle ne met en oeuvre qu'un seul enrobant coulé en une seule fois sans-aucune retouche de finition .
Enfin un avantage majeur de la structure du boîtier de l'invention est d'assurer ses fonctions sans imposer aux éléments contenus et à la feuille mince les supportant, des contraintes mécaniques inhérentes à l'effet combi¬ né des variations de température et des différences entre les coefficients de dilatations des matériaux présents.
On suivra facilement la description détaillée de la structure du boîtier de l'invention dans le cas particulier non limitatif, où il contient, comme exemple, deux résistances cermet, sur les figures suivantes : figure 1 : vue générale en perspective du boîtier de l'invention comportant 4 cosses dont deux à visser (une rabattue) et deux à emmancher type Faston. figure 2 : vue de dessus du boîtier fixé par une seule des deux vis sur un radiateur plan. figure 3 : coupe générale suivant a. le radiateur est figuré par sa surface R figure 4 : coupe générale suivant b. le radiateur est figuré par sa surface R figure 5 : vue en plan d'une cosse figure 6 : vue en coupe d'une cosse figure 7 : coupe montrant l'orientation de mise en place d'une cosse, le détail de son ancrage, l'action du dispositif de maintien provisoire en cours de soudage et la position de la cosse après soudage, figure 8 : dessin présentant un exemple d'élément électronique contenu par le boîtier de l'invention dans le cas de 2 résistances et 4 électrodes conductrices. figure 9 : vue en coupe a de l'élément électronique de la figure 8.
La feuille 2 (fig. 8 et 9) électriquement isolante, mais thermiquement conductrice, d'épaisseur 0,1 mm à 10 mm, supporte sur sa face 2a, par exemple deux couches résistantes 6a, 6b entre quatre couches conductrices 6al, 6a2, 6b 1. 6b2 soudables sur les plages 7al, 7a2 et 7b 1, 7b2.
Une caractéristique particulière de l'invention est constituée par le fait (fig. 3 et fig. 4) que la feuille 2, en appui sur les butées 1g. est coiffée par le capot 1 de telle sorte que sa face thermique externe 2b est en saillie d'une distance D = 0,01 mm à 10 mm, typiquement de 0,05 à 0,5 mm sur la face lb du capot 1 afin d'assurer le contact direct et intime de cette face 2b avec le radia¬ teur de refroidissement R.
Une autre caractéristique particulière de l'invention est que les vis 9, en appuyant en porte-à-faux sur les surépaisseurs 8, sollicitent les oreilles de fixation en flexion et non au cisaillement, ce qui risquerait de provoquer leur rupture. De plus, les bagues 5 limitent la force de pression des vis 9 à une valeur prédéterminée fonction de leur hauteur.
Cette structure particulière entraîne une forme simple de la feuille 2 et notamment l'absence de trous de passage des moyens de fixation, de réalisa¬ tion coûteuse dans un diélectrique. La facilité de mise en place des cosses 3 est une autre particularité importante de l'invention. Cette facilité repose à la fois sur la forme des dites cosses et sur celle du capot 1 (fig. 5 - 6 - 7). Les quatre fenêtres le (fig. 1) du capot 1 sont destinées à permettre le passage, par la face la de la cosse 3 et sa mise en place dans la fente Ih (fig. 4). Figures 5 et 6, afin d'attribuer un nom à chaque partie de la cosse 3, comparons là à un personnage assis. On reconnaît : la tête 3t, le cou 3k, la bosse 3e, le corps 3a, les hanches 3h, le bassin 3b, la cuisse 3c, le genou 3g, la jambe j et le pied 3p.
Figure 7 : l'introduction de la cosse 3 dans le capot 1 à partir de la face la se fait suivant l'orientation 3a. La bosse 3e en prenant contact sur la face la arrête les hanches 3h exactement au niveau des bossages lf, ce qui auto¬ rise le redressement de la cosse 3 en position 3d par un dispositif F. L'intro- duction des bossages lf du capot 1 dans les hanches 3h garantit le blocage de la cosse 3 suivant la direction de son plan. On remarque que la disposition des bossages lf autorise l'usage d'un moule sans tiroir lors de la mise en forme du capot 1.
Une autre caractéristique de l'invention se comprend également sur la figure 7. Le maintien de la cosse 3 au cours de la fusion de la soudure 10 peut être favorisé par l'introduction à travers l'orifice le d'une panne P, éventuellement chauffante, venant prendre appui sur la cuisse 3c Mais il sera plus simple de maintenir provisoirement la cosse 3 par le dit dispositif F
par pression sur la face externe de la tête 3t.
La composition fusible de soudure tendre est déposée sur les plages 7al, 7a2 et 7bl . 7b2 avant mise en place de la feuille 2 ou bien encore déposée, après mise en place de la feuille 2, au pied 3p de la cosse 3 au moyen d'un dis- positif S introduit au travers de l'orifice le.
On profite de l'excellente conduction thermique de la feuille 2 pour provoquer la fusion des soudures 10 par apport d'énergie calorifique aux plages 7al, 7a2 et 7b 1, 7b2 en chauffant la face 2b, mais tout autre procédé de chauffage pourra être exploité par exemple : induction, micro-ondes, ... On remarque, et ce sont d'autres dispositions particulières de l'inven¬ tion, la faible section de l'ensemble "cuisse - jambe" de la cosse 3. La dite section ne représente que 20% à 5% de celle du corps 3a de la cosse 3- De plus, seul le pied 3p vient au contact de la face 2a de la feuille 2. Cet ensemble de dispositions limite, lors de la fusion de la soudure 10, le rôle de puits thermi- que de la cosse 3.
Une autre caractéristique de l'invention est que la faible section de la cuisse, de la jambe, du pied associée à l'état recuit donc ductile du métal de la cosse 3 contribue à limiter les contraintes mécaniques dues aux différences entre les coefficients de dilatation des matériaux constituant les différents organes de la structure du dit boîtier.
La forme de la tête 3t de la cosse 3 sera choisie par l'homme de l'art pour satisfaire l'architecture de câblage du circuit électronique dans lequel sera inclus le composant présenté dans le boîtier de l'invention (fig. 1 ). Exemples non limitatifs : - tête 3t en position 3f , forme type Faston à emmancher
- tête 3t en position 3f, forme plate, percée destinée à être boulonnée
- tête 3t rabattue en position 3v grâce à l'amincissement 3k, forme plate, percée destinée à être traversée par une vis collaborant avec l'écrou pri¬ sonnier 4. Une autre caractéristique de l'invention concerne la présence éven¬ tuelle d'un orifice central le (fig. 1 - 2) de grande surface, dans la face la, qui coopère avec les fenêtres le pour faciliter l'introduction d'un enrobant polymérisable de protection en vue du comblement, du volume libre 11 laissé dans le boîtier par les organes contenus : feuille 2, éléments électroniques, parties 3a - 3b - 3c - 3g - 3j - 3p des cosses (fig. 4). Ce complément est réalisé au moins jusqu'au niveau de la face li et au plus jusqu'au niveau des faces lj. La grande surface totale des ouverture le et le facilite l'évacuation de l'air.
Une autre caractéristique primordiale de l'invention est que la surface totale des orifices le et le est choisie assez grande pour permettre les varia¬ tions de volume de l'enrobant, dans son état solidifie, sans création de contraintes mécaniques qui seraient susceptibles de nuire autant à l'intégri- té des organes constitutifs du boîtier de l'invention, y compris des éléments électroniques contenus.
En vue de justifier cette précaution, sont présentes ci-après au lecteur les résultats de mesures de distorsion réalisées en harmonique 3 sur des boî¬ tiers de l'invention contenant des résistances, après qu'ils aient subi des variations rapides de température (-65* C +125* C, 5 fois), et présentant des surfaces totales d'orifices le plus le égales a : 30% de la surface interne utile du dit boîtier : 40% de défauts 37% de la surface interne utile du dit boîtier : 20% de défauts 51% de la surface interne utile du dit boîtier : 0% de défaut Par suite, la surface totale des fenêtres le et le est au minimum égale à la surface des parties pleines résiduelles de la face li.
Une autre disposition importante de l'invention est que le dit enrobant de protection est choisi par l'homme de l'art tel qu'il soit mouillant et de faible viscosité avant solidification afin d'envahir par capilarité l'espace des fentes lh laissé libre par les cosses 3.
De plus, l'enrobant dans son état solidifié doit former une masse :
- cohésive,
- diélectrique,
- imperméable, en particulier hydrophobe, - souple afin que les variations de volume consécutives à l'effet des écarts de température sur les coefficients de dilatation ne génèrent des contraintes mécaniques préjudiciables aux organes du boîtier,
- insensible aux effets combinés d'une température élevée et de l'humidité,
- suffisamment incompressible afin d'empêcher notamment le retour des cosses 3 en position 3a,
- adhérente au moins aux surfaces, internes au boîtier de l'invention, des organes constitutifs à savoir : la feuille 2, le capot 1, les cosses 3 et les éléments électroniques contenus afin de les maintenir ensemble et d'en isoler les parties sensibles vis-à-vis des agents agressifs. De telles compositions fluides, enrobantes et solidifiables à tempéra¬ tures modérées inférieures à 125* C, existent sur le marché comme par exemple celles à base de caoutchouc siiicone.
En conséquence, la gamme de fabrication d'un composant électronique présenté dans le boîtier de l'invention pourra comporter, mais ce n'est là qu'un exemple, les étapes suivantes :
1 - Mise en place, dans la face lb du capot 1 de la feuille 2 supportant le(s) élément(s) électronique(s) à encapsuler.
2 - Mise en place des cosses 3 et leur maintien par le dispositif F.
3 - Dépôt de soudure au pied des cosses à travers les orifices le sur les plages soudables de la feuille 2.
4 - Fusion des soudures - refroidissement 5 - Nettoyage des flux de soudage.
6 - Mise en place dans le montage d'enrobage.
7 - Remplissage avec l'enrobant du volume 11 jusqu'aux faces li au moins et
Ij au plus.
8 - Solidification de l'enrobant. 9 - Marquage pour identification.
10-Eventuellement : pose des écrous 4 et pliages des cosses 3 jusqu'à la posi¬ tion 3v.