WO2019239030A1 - Élément modulaire de commutation de puissance et ensemble démontable de plusieurs éléments modulaires - Google Patents

Élément modulaire de commutation de puissance et ensemble démontable de plusieurs éléments modulaires Download PDF

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WO2019239030A1
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WO
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power switching
orifices
internal
assembly
bih
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PCT/FR2019/051266
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Friedbald KIEL
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Institut Vedecom
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    • H01L25/10—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices having separate containers
    • H01L25/11—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
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    • H01L23/49575—Assemblies of semiconductor devices on lead frames

Definitions

  • the invention relates generally to the field of power electronics. More particularly, the invention relates to modular power switching elements and to removable assemblies of such modular elements.
  • the power switching modules form the basic building blocks necessary for the construction of electronic power devices. These power switching modules can be combined to form switching bridges or associated in parallel to pass the desired current.
  • the switching bridge branches composed of two electronic power switches are elementary power modules very widely used for the production of electronic power devices such as inverters and power converters.
  • the compactness of the power switching modules is an essential characteristic, not only for reducing material costs, but also for achieving the best design compromises. Indeed, the compactness is favorable in particular to the reduction of resistive and inductive parasitic elements.
  • the reduction of parasitic inductances, in particular in power bus bars, is important for protecting circuits against potentially destructive overvoltages, improving control of electromagnetic radiation, reducing the heat generated and increasing the switching speed.
  • the compactness of the architectures is also required for the judicious use of new power semiconductors, such as today silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) and, soon, diamond. Indeed, the densities of power and the higher switching frequencies provided by the new power semiconductors lead to more compactness.
  • new power semiconductors such as today silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) and, soon, diamond.
  • 3D architectures are of particular interest in increasing the compactness of modules and electronic power devices.
  • cooling constraints are critical in these architectures and efficient solutions must be implemented. Extraction of the dissipated energy as close as possible to the power chips is necessary in order to keep the component temperatures below critical values and guarantee thermal equilibrium. Double-sided cooling of the power chips is desirable. Efficient cooling devices using heat transfer liquid and / or using heat pipes may be required.
  • a power switching module having a new architecture of elementary switching brick, suitable for removable assemblies of parallel and / or stacked type, the new power semiconductors SiC and GaN , including GaN transistors with lateral structure, as well as 3D and “press-pack” technologies, and economical mass production based on printed circuit manufacturing technologies.
  • the invention relates to a modular power switching element comprising first and second laminated blocks assembled in an asymmetrical configuration relative to a junction plane, each of the first and second laminated blocks comprising an electronic chip switching circuit implanted in a stratification between an external composite plate and an internal composite plate separated by an intermediate dielectric layer, the plates external and internal composites each having electrical conduction buses, each power switching electronic chip having a face comprising first and second power electrodes and a switching control electrode, and the first and second power electrodes being electrically connected to first and second respective internal electrical conduction buses of the internal composite plate.
  • a plurality of orifices each comprising an electrically conductive internal layer extend into the first and second laminated blocks from external faces of their external composite plates, the plurality of orifices comprising at least first and second orifices each communicating with a respective switching control electrode of the power switching electronic chips and at least of the first, second and third pluralities of orifices totally passing through the first and second laminated blocks, electrically interconnecting electrical conduction buses of the first and second laminated blocks and having a fixed spacing between the orifices.
  • the power switching electronic chips are lateral type transistor chips.
  • the first plurality of orifices electrically interconnect the first internal bus of electrical conduction of the internal composite plate of the first laminated block to first external buses of electrical conduction of the external composite plates of the first and second laminated blocks .
  • the second plurality of orifices electrically interconnect the second internal bus of electrical conduction of the internal composite plate of the second laminated block to second external buses of electrical conduction of the external composite plates of the first and second blocks laminates.
  • the third plurality of orifices electrically interconnect the second internal electrical conduction bus and the first internal electrical conduction bus of the internal composite plates of the first and second laminated blocks.
  • the plurality of orifices also comprises third and fourth orifices which extend into the first and second laminated blocks from the external faces of their external composite plates, the third and fourth orifices being connected respectively by tracks electrically conductive at the first and second ports communicating with the switching control electrodes of the power switching electronic chips.
  • the invention also relates to a removable power switching assembly comprising at least two modular power switching elements as described briefly above, and a plurality of electrically conductive assembly pins, in wherein the electrically conductive assembly pins are inserted into the orifices of the modular power switching elements and provide mechanical assembly and electrical connection functions between the modular power switching elements.
  • the removable power switching assembly comprises a fluid circulation channel formed by a spacing between the modular power switching elements, said spacing being obtained by means of electrically conductive assembly pins.
  • the removable power switching assembly also comprises at least one assembly and interconnection element interposed between the modular power switching elements, the assembly and interconnection element comprising at least one electrically conductive bar in which are arranged a plurality of through holes, the through holes being distributed with the fixed spacing pitch and receiving conductive assembly pins.
  • the assembly and interconnection element comprises at least two electrically conductive bars, the electrically conductive bars being arranged with a spacing determined between them so as to form a fluid circulation channel .
  • FIG. 1 is a perspective view showing the architecture of a power switching module according to the prior art
  • Fig.2 is a simplified sectional view showing a removable assembly of two modular power switching elements according to the invention, in a particular embodiment
  • Fig.3 is a simplified electrical diagram of the modular power switching elements of Fig.2
  • Fig.4 shows a top view and sectional view of the drain, source and gate electrodes present on the same face in a lateral type transistor chip
  • Figs.ôA to 5F are simplified top views showing different laminated composite plates included in the modular power switching element of Fig.2
  • FIG. 6 is a partial sectional view showing the connection to a gate electrode of the transistor chip by means of orifices comprising a conductive layer, from the top and bottom faces of the modular power switching element of Fig.2;
  • Fig.7 is a simplified sectional view showing a first embodiment of an assembly and interconnection element usable for the production of removable power switching assemblies according to the invention;
  • Fig.8 is a simplified sectional view showing another embodiment of a removable power switching assembly according to the invention, comprising assembly and interconnection elements as shown in Fig.7;
  • Fig.9 is a simplified sectional view showing a second embodiment of an assembly and interconnection element usable for the production of power switching assemblies according to the invention.
  • IMS Insulated Metal Substrate
  • the chip is implanted in a sandwich structure between two conductive copper plates. Copper electrolytic deposition and silver sintering techniques are used for the electrical interconnection of the chip. Dielectrics composed of epoxy type resins, reinforced or not reinforced with glass fiber, or polyimides, are used for electrical insulation. Cutting and drilling in the laser beam are frequently used for material removal. Copper tracks and pads for electrical interconnection are typically obtained by wet etching a copper foil.
  • the 3D stacking of a power switching module PM formed by a branch of a switching bridge comprises chips THS and TLS transistor, bus bars + DC and -DC, a central bus bus OUT, conductive interconnection sheets CGu and CGL and dielectric layers of electrical insulation IS1 u, IS2u and IS1 L, IS2i_.
  • the bus bars + DC, - DC and OUT and the conductive interconnection sheets CGu and CGL are made of copper and the dielectric layers of electrical insulation IS1 u, IS2u and IS1 L, IS2L are typically produced with the abovementioned materials based on epoxy or poiyi ides resins
  • the THS and TLS transistor chips are here of the vertical type and include source and drain electrodes (not identified) located respectively on the top and bottom faces of the chip.
  • the source and drain electrodes are electrically connected to the bus bars.
  • the gate electrode Gu, GL, of the THS, TLS transistor chip is located on the upper side of the chip.
  • the gate electrodes Gu and GL are connected to the conductive interconnection sheets CGu and CGL by conductive tracks Cu and CL and in electrical continuity with contact terminals GPu and GPL, respectively.
  • the electrical insulation dielectric layer IS1 u, IS1 L provides electrical insulation between the bus bar + DC, -DC, and the interconnection conductive sheet CGu, CGL, respectively.
  • the IS2u electrical insulation dielectric layer, IS2L provides electrical insulation between the interconnection conductive sheet CGu, CGL, and the central bus bar OUT, respectively.
  • the electrical connections of the THS and TLS chips to the DC supply voltages are provided by the bus bars + DC and -DC.
  • the gate electrodes Gu and GL are controlled by the contact terminals GPu and GPL.
  • the midpoint of the PM switching branch is available on the central busbar OUT dedicated to alternating voltage.
  • this state-of-the-art power switching module PM is not suitable for lateral type transistor chips.
  • the GPu and GPL contact terminals, for access to the chip gate electrodes are located laterally on the structure, that is to say on the edge thereof. this. This location of the GPu and LPG contact terminals is often a drawback. In fact, additional connection means must be provided to bring the electrical connections to the control circuit which is typically arranged on the top or bottom face of the structure.
  • the modular power switching element is a standard component which is suitable for integrating type transistor chips lateral.
  • the modular power switching element is produced with the techniques for manufacturing printed circuit boards, called PCBs from “Printed Circuit Board” in English. These techniques are perfectly mastered and allow manufacturing at low cost.
  • TLP welding transient liquid phase welding
  • sintering of powder of metal nanoparticles or diffusion welding Laser cutting and drilling will also be used and, possibly, other means such as die-cutting for cutting films or sheets of insulation and copper.
  • a removable ES power switching assembly comprising two modular power switching elements 1 A and 1 B according to the invention.
  • the modular power switching elements 1 A and 1 B are standard elements.
  • the modular power switching elements 1 A and 1 B are intended to be superimposed and assembled according to the arrows F.
  • the modular elements 1 A and 1 B are shown in a pre-assembly state in Fig.2.
  • Nine conductive assembly pins 2i, at 2g are shown and are designed to be housed in orifices of the modular power switching elements 1 A and 1 B.
  • the conductive assembly pins 2i, at 2g have the function of ensuring the mechanical assembly and the electrical connections between the modular power switching elements 1 A and 1 B.
  • the modular power switching elements 1 A and 1 B will not necessarily be joined together and that a spacing can be kept between them by means of the conductive assembly pins 2i to 2g, so forming a CAL fluid circulation channel.
  • the modular power switching element 1 A , 1 B is a branch of a transistor bridge, also called "half-bridge", comprising two transistor chips CPH and CPL of lateral type.
  • FIG.3 An example of a simplified electrical diagram of the modular power switching element 1 A , 1 B is shown in Fig.3.
  • the transistor chips CPH, CPL include drain, source and gate electrodes D1, D2, S1, S2 and G1, G2.
  • the drain electrodes D1 and source S2 are connected respectively to direct current electrical supply buses B + and B-.
  • the source electrodes S1 and drain D2 are interconnected and provide the switched output SW of the modular power switching element 1 A , 1 B.
  • the switching of the transistor chips CPH, CPL are controlled through the gate electrodes G1, G2.
  • the transistor chip CPH, CPL is shown schematically in section and in top view in Fig.4.
  • the top view shows the top face of the transistor chip CPH, CPL, on which are arranged source electrodes S1, S2, drain D1, D2, and gate G1, G2.
  • the source electrodes S1, S2, and drain electrodes D1, D2 extend laterally and parallel on the surface plane, on either side of the electrode grid G1, G2, centrally arranged.
  • the source electrodes S1, S2, and the drain electrodes D1, D2 form the power electrodes of the transistor chip CPH, CPL, and the gate electrode G1, G2, form the switching control electrode thereof. this.
  • the ES assembly of FIG. 2 is an arrangement of two half-bridges connected in parallel, typically for passing more current.
  • the drain electrodes D1, D2, of source S1, S2, and of gate G1, G2 are electrically connected in pairs.
  • the ES assembly is a simple association of two modular power switching elements according to the invention described here by way of illustrative example.
  • associations of more complex and diverse modules are possible, in particular with the help of assembly and interconnection elements, as will be described below with reference to FIGS. 7 to 9.
  • the modular power switching element 1 A is now described above in detail, knowing that the two elements 1 A and 1 B are identical and that the description of the element 1 A also applies to the element 1 B.
  • the modular power switching element 1 A is formed by two laminated blocks, BH A and BL A , which respectively integrate the transistor chips CPH and CPL. It will be noted that other embodiments of the modular power switching element according to the invention may include a number of transistor chips greater than two.
  • the laminated blocks, BH A and BL A have similar architectures and are assembled in an antisymmetrical configuration relative to a junction plane materialized by a junction layer JC.
  • the transistor chip CPH is buried in the structure, in a sandwich, between an external composite plate PEH A and an internal composite plate PIH A.
  • An intermediate dielectric layer CDH A separates the external PEHA and internal PIHA composite plates.
  • Three thin composite plates PH1A, PH2A, and PH3A are also laminated between the internal composite plate PI H A and the junction layer JC with the laminated block BL A.
  • the transistor chip CPH has its top side facing down, the top side comprising the drain electrodes D1, source S1 and gate G1 shown in Fig. 4.
  • the transistor chip CPL is buried in the structure, in a sandwich, between an external composite plate PEL A and an internal composite plate PIL A.
  • An intermediate dielectric layer CDL A separates the external PELA and internal PILA composite plates.
  • Three thin composite plates PL1A, PL2A, and PL3A are also laminated between the internal composite plate PIL A and the junction layer JC with the laminated block BH A.
  • the transistor chip CPL has its top side facing upwards, the top side comprising the drain electrodes D2, source S2 and gate G2 shown in Fig. 4.
  • the configurations of the external composite plate PEH A , the intermediate dielectric layer CDH A , the internal composite plate PIH A and the three thin composite plates PH 1A, PH2A, and PH3A are similar to those of the external composite plate PELA, the intermediate dielectric layer CDL A , the internal composite plate PI L A , and the three thin composite plates PL1 A , PL2 A , and PL3 A , and are shown in Figs. 6A to 5F, respectively.
  • Pluralities of metallized orifices OG1, OG3, OG5, and metallized orifices OG2, OG4 and OG20, OG40, are drilled, typically by laser, in the external composite plate PEHA, PELA, the intermediate dielectric layer CDHA, CDLA , the internal composite plate PI HA, PILA, and the three thin composite plates PH1A, PL1 A, PH2A, PL2A, and PH3A, PL3A.
  • all the orifices are produced along axes perpendicular to the top and bottom surface planes of the external composite plate, the intermediate dielectric layer, the internal composite plate and the three thin composite plates.
  • the holes OG1 to OG5 are also visible in Fig.2 which shows a sectional view along the axis AA of Figs.ôA to 5F.
  • An internal conductive layer C1 typically made of copper, metallized the internal wall of the orifices and ensures their electrical conduction.
  • the internal conductive layer C1 is visible in FIG. 2 for the orifices OG1 to OG5 and in the sectional view of FIG. 6 for the orifices OG2, OG4, and OG20, OG40. All of the metallized orifices OG1 to OG5 and OG20, OG40, are provided so as to allow the insertion of conductive assembly pins such as pins 2i to 2g.
  • the external composite plate PEH A , PEL A includes external buses BEH +, BEL +, and BEH-, BEL-, typically made of copper.
  • the external buses BEH +, BEL +, and BEH-, BEL- are included in a dielectric frame CA1.
  • the external buses BEH +, BEL +, and BEH-, BEL-, are intended to be connected to the DC power supply buses B + and B- (see Fig. 3), respectively.
  • the intermediate dielectric layer CDH A , CDL A is visible in Fig.5B. It includes a cutout forming an LC housing for the CPH, CPL transistor chip.
  • the internal composite plate PI HA, PI LA comprises lateral internal buses BIH +, BIL + and BIH-, BIL-, and a central internal bus BCH, BCL, typically made of copper.
  • the buses are included in a CA2 dielectric frame.
  • the layout of the CPH transistor chip is visible in Fig.5C.
  • the drain electrodes D1 and of source S1 of the transistor chip CPH are connected respectively to the lateral internal bus BIH + and to the central internal bus BCH.
  • the drain electrodes D2 and of source S2 of the transistor chip CPL are connected respectively to the central internal bus BCL and to the lateral internal bus BIL-.
  • the thin composite plate PH1 A , PL1 A includes lateral internal buses BH1 +, BL1 +, and BH1 -, BL1 -, and a central internal bus BCH1, BCL1, contained in a dielectric frame CA3 and corresponding respectively to the lateral internal buses BIH +, BIL + and BIH-, BIL-, and to the central internal bus BCH, BCL, of the internal composite plate PI H A , PI L A.
  • the thin composite plate PH2 A , PL2 A shown in Fig.
  • 5E includes lateral internal buses BH2 +, BL2 +, and BH2-, BL2-, and a central internal bus BCH2, BCL2, contained in a dielectric frame CA4 and corresponding respectively to the lateral internal buses BIH +, BIL + and BIH-, BIL-, and to the central internal bus BCH, BCL, of the internal composite plate PI HA, PI LA.
  • 5F comprises lateral internal buses BH3 +, BL3 +, and BH3-, BL3-, and a central internal bus BCH3, BCL3, contained in a dielectric frame CA5 and corresponding respectively to the lateral internal buses BIH +, BIL + and BIH-, BIL-, and to the central internal bus BCH, BCL, of the internal composite plate PI H A , PI L A.
  • the plurality of orifices OG1 are aligned on a lateral part of the external bus BEH +, BEL +, of the intermediate dielectric layer CDHA, CDLA, of the lateral internal bus BIH +, BIL +, and of the lateral internal buses BH1 +, BL1 +, BH2 +, BL2 +, and BH3 +, BL3 +, and form vias of electrical interconnection between these buses in the laminated blocks BHA and BLA.
  • the plurality of orifices OG5 are aligned on a lateral part of the external bus BEH-, BEL-, of the intermediate dielectric layer CDHA, CDLA, of the lateral internal bus BIH-, BIL-, and of the lateral internal buses BH1 -, BL1 - , BH2-, BL2-, and BH3-, BL3-, and form electrical interconnection vias between these buses in the laminated blocks BHA and BLA.
  • the plurality of OG3 orifices are aligned in central portions of the external composite plate PEHA, PELA, of the intermediate dielectric layer CDHA, CDLA, of the internal composite plate PI HA, PI LA, and of the three thin composite plates PH 1 A, PL1 A, PH2 A , PL2 A , and PH3 A , PL3 A.
  • the plurality of orifices OG3 form electrical interconnection vias between the central internal buses BCH, BCL, BCH1, BCL1, BCH2, BCL2, and BCH3, BCL3, in the laminated blocks BH A and BL A.
  • These central internal buses correspond to the switched output SW (Fig. 3) of the modular 1 A power switching element.
  • the orifices OG3 thus make it possible to have several connection points to this switched output SW on the top and bottom faces of the modular power switching element 1 A, here in particular through the conductive assembly pins 2 2 and 2 5 , visible in Fig. 2.
  • the orifices OG2 and OG4 are drilled in dielectric portions of the dielectric frames CA1 to CA5 and the intermediate dielectric layers CDHA, CDLA.
  • the holes OG2 and OG4 are drilled at the locations of the transistor chips CPH and CPL.
  • the orifices OG2 and OG4 are arranged to come into correspondence with the gate electrodes G1 and G2 of the transistor chips CPH and CPL, respectively, so as to allow the electrical connection of the gate electrodes G1, G2, with the inner conductive layer C1 of the orifices OG2, OG4.
  • the orifices OG20 and OG40 are drilled in an edge of the dielectric frames CA1 to CA5 and the intermediate dielectric layers CDHA, CDLA and are electrically connected to the orifices OG2 and OG4, respectively.
  • the electrical connection of ports OG2, OG4, and OG20, OG40 is shown in Figs.5F and 6, and is ensured by copper tracks P2, P4 in thin composite plates PH3A and PL3A.
  • the copper tracks P2 and P4 are connected to the interior conductive layers C1 of the orifices OG2, OG20, and OG4, OG40, respectively, so as to allow connections to the gate electrodes G1 and G2 on the upper and lower faces of the element. 1
  • a power switching module is connected to the interior conductive layers C1 of the orifices OG2, OG20, and OG4, OG40, respectively, so as to allow connections to the gate electrodes G1 and G2 on the upper and lower faces of the element.
  • the orifices OG1, OG3, and OG5 are metallized through orifices ensuring the electrical connections of the buses between the top and bottom faces of the modular power switching element 1 A.
  • the orifices OG2 and OG4 cannot be through, given the presence of the transistor chips CPH and CPL.
  • the means formed by the copper tracks P2 and P4 and the orifices OG20 and OG40 make it possible to make the connections with the gate electrodes G1 and G2 available on the top and bottom faces of the modular power switching element 1 A.
  • the pluralities of orifices OG1 , OG3 and OG5 are produced with the same fixed spacing pitch P between the orifices so as to allow them to coincide during the assembly of modular elements, here the assembly of modular elements 1 A and 1 B.
  • assembly elements and standard interconnection B1 are provided in the invention and can be used to produce removable AS power switching assemblies comprising a large number of elements modular 4 A , 4B, 4 C , ....
  • the modular elements 4 A , 4B, 4 C , ... may be arranged in three dimensions to form AS assemblies.
  • assembly and interconnection elements BU, BIB, etc. can be used to create these AS assemblies.
  • the assembly and interconnection elements Bl are typically in the form of conductive bars or plates provided with conductive assembly pins.
  • the conductive bar 3 is typically made of copper and has a plurality of high pins, 2I O H at 2i4H, and low, 2IOL to 2I 4 I_.
  • the assembly conductive pins are mounted, with clamping, in OE holes of the conductor bar 3.
  • the OE holes have a spacing between them which is equal to the pitch P.
  • the pins are here mounted in pairs in the holes OE, a high pin and a low pin being inserted in the same OE hole. It will be noted that a longer pin can be used in other embodiments to replace the pair of upper and lower pins in the same OE orifice.
  • assembly and interconnection elements BIF can be used in the assemblies AS of the invention for producing CAN channels typically intended for the circulation of a heat transfer fluid. or flame retardant, or to heat pipes.

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Abstract

L'élément modulaire (1A,1B) comprend des blocs stratifiés (BHA, BLA) assemblés selon une configuration antisymétrique relativement à un plan de jonction (JC). Chacun des blocs stratifiés comprend une puce électronique (CPH, CPL) implantée dans une stratification entre une plaque composite externe (PEHA, PELA) et une plaque composite interne (PIHA, PILA) séparées par une couche diélectrique intermédiaire (CDHA, CDLA). Les plaques composites externe et interne ont chacune des bus de conduction électrique (BEH+, BEL+, BEH-, BEL-; BIH+, BIL+, BIH-, BIL-, BCH, BCL) et chaque puce électronique de commutation de puissance a une face comprenant des première et deuxième électrodes de puissance (D1, D2, S1, S2)et une électrode de commande de commutation (G1, G2). Les première et deuxième électrodes de puissance sont reliées électriquement à des premier (BIH+, BCL) et deuxième (BCH, BIL-) bus internes de conduction électrique respectifs de la plaque composite interne. Conformément à l'invention, une pluralité d'orifices (OG1 à OG5, OG20, OG40) comprenant chacun une couche interne électriquement conductrice (CI) se prolongent dans les blocs stratifiés depuis des faces extérieures de leurs plaques composites externes, la pluralité d'orifices comprenant au moins des premier et deuxième orifices (OG2, OG4) communiquant chacun avec une électrode de commande de commutation respective des puces électroniques et au moins des première, deuxième et troisième pluralités d'orifices (OG1, OG3, OG5) traversant totalement les blocs stratifiés, interconnectant électriquement des bus de conduction électrique des blocs stratifiés et ayant un pas d'écartement fixe entre les orifices.

Description

ÉLÉMENT MODULAIRE DE COMMUTATION DE PUISSANCE ET ENSEMBLE DÉMONTABLE DE PLUSIEURS ÉLÉMENTS MODULAIRES
[001 ] La présente invention revendique la priorité de la demande française 1855156 déposée le 13 juin 2018 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.
[002] L’invention concerne de manière générale le domaine de l’électronique de puissance. Plus particulièrement, l’invention se rapporte à des éléments modulaires de commutation de puissance et à des ensembles démontables de tels éléments modulaires.
[003] Les modules de commutation de puissance forment les briques de base nécessaires à la construction des dispositifs électroniques de puissance. Ces modules de commutation de puissance peuvent être associés pour former des ponts de commutation ou associés en parallèle pour passer le courant voulu. Les branches de pont de commutation composés de deux interrupteurs électroniques de puissance sont des modules de puissance élémentaires très largement répandus pour la réalisation de dispositifs électroniques de puissance tels que des onduleurs et convertisseurs de puissance.
[004] Les besoins actuels poussent vers une recherche de davantage de modularité notamment pour permettre la réalisation de différents circuits, du plus simple au plus complexe, à partir de la même brique modulaire, accroître la standardisation et réduire les coûts. Par ailleurs, une modularité plus poussée permet de réduire la valeur du rebus de fabrication, compte-tenu de la possibilité de tester la fonctionnalité au niveau des briques élémentaires.
[005] La compacité des modules de commutation de puissance est une caractéristique essentielle, non seulement pour la réduction des coûts matières, mais aussi pour atteindre les meilleurs compromis de conception. En effet, la compacité est favorable notamment à la réduction des éléments parasites résistifs et inductifs. La réduction des inductances parasites, notamment dans les bus barres de puissance, est importante pour protéger les circuits contre des surtensions potentiellement destructrices, améliorer la maîtrise des rayonnements électromagnétiques, réduire la chaleur générée et augmenter la vitesse de commutation.
[006] La compacité des architectures est aussi requise pour une utilisation judicieuse de nouveaux semi-conducteurs de puissance, comme aujourd’hui le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) et, prochainement, le diamant. En effet, les densités de puissance et les fréquences de commutation plus élevées apportées par les nouveaux semi- conducteurs de puissance poussent à davantage de compacité.
[007] Les architectures 3D présentent un intérêt certain pour accroître la compacité des modules et des dispositifs électroniques de puissance. Cependant, les contraintes de refroidissement sont critiques dans ces architectures et des solutions efficientes doivent y être implémentées. Une extraction de l’énergie dissipée au plus près des puces de puissance est nécessaire afin de maintenir les températures des composants en dessous de valeurs critiques et garantir l’équilibre thermique. Un refroidissement double face des puces de puissance est souhaitable. Des dispositifs de refroidissement performants par liquide caloporteur et/ou faisant appel à des caloducs peuvent être requis.
[008] Les architectures qui facilitent la réalisation des dispositifs du type dits « SiP » (pour « System in Package » en anglais) sont intéressantes pour le bénéfice qu’elles apportent en termes de niveau d’intégration et de compacité. Une architecture de module de commutation de puissance qui autorise de la flexibilité dans la localisation spatiale des électrodes est intéressante pour la réalisation des dispositifs « SiP ».
[009] La démontabilité des architectures, jusqu’à la brique la plus élémentaire possible, est un atout appréciable pour la réparabilité. La technologie dite "press-pack", dans laquelle les contacts électriques sont assurés à l’aide de moyens mécaniques de pression ou serrage, permet de réaliser des briques élémentaires testables et remplaçables, tout en apportant une amélioration de la fiabilité dans les applications à cyclages thermiques sévères, par l’élimination des soudures.
[0010] Il apparaît aujourd’hui souhaitable de proposer un module de commutation de puissance ayant une architecture nouvelle de brique élémentaire de commutation, adapté pour des ensembles démontables de type parallèle et/ou empilé, les nouveaux semi- conducteurs de puissance SiC et GaN, notamment les transistors GaN à structure latérale, ainsi que les technologies 3D et « press-pack », et une production de masse économique basée sur les technologies de fabrication de circuit imprimé.
[001 1 ] Selon un premier aspect, l’invention concerne un élément modulaire de commutation de puissance comprenant des premier et deuxième blocs stratifiés assemblés selon une configuration antisymétrique relativement à un plan de jonction, chacun des premier et deuxième blocs stratifiés comprenant une puce électronique de commutation de puissance implantée dans une stratification entre une plaque composite externe et une plaque composite interne séparées par une couche diélectrique intermédiaire, les plaques composites externe et interne ayant chacune des bus de conduction électrique, chaque puce électronique de commutation de puissance ayant une face comprenant des première et deuxième électrodes de puissance et une électrode de commande de commutation, et les première et deuxième électrodes de puissance étant reliées électriquement à des premier et deuxième bus internes de conduction électrique respectifs de la plaque composite interne. Conformément à l’invention, une pluralité d’orifices comprenant chacun une couche interne électriquement conductrice se prolongent dans les premier et second blocs stratifiés depuis des faces extérieures de leurs plaques composites externes, la pluralité d’orifices comprenant au moins des premier et deuxième orifices communiquant chacun avec une électrode de commande de commutation respective des puces électroniques de commutation de puissance et au moins des première, deuxième et troisième pluralités d’orifices traversant totalement les premier et deuxième blocs stratifiés, interconnectant électriquement des bus de conduction électrique des premier et deuxième blocs stratifiés et ayant un pas d’écartement fixe entre les orifices.
[0012] Selon une forme de réalisation présentant un intérêt particulier, les puces électroniques de commutation de puissance sont des puces de transistor de type latéral.
[0013] Selon une caractéristique particulière, la première pluralité d’orifices interconnectent électriquement le premier bus interne de conduction électrique de la plaque composite interne du premier bloc stratifié à des premiers bus externes de conduction électrique des plaques composites externes des premier et deuxième blocs stratifiés.
[0014] Selon une autre caractéristique particulière, la deuxième pluralité d’orifices interconnectent électriquement le deuxième bus interne de conduction électrique de la plaque composite interne du deuxième bloc stratifié à des deuxièmes bus externes de conduction électrique des plaques composites externes des premier et deuxième blocs stratifiés.
[0015] Selon encore une autre caractéristique particulière, la troisième pluralité d’orifices interconnectent électriquement le deuxième bus interne de conduction électrique et le premier bus interne de conduction électrique des plaques composites internes des premier et deuxième blocs stratifiés.
[0016] Selon encore une autre caractéristique particulière, la pluralité d’orifices comprend également des troisième et quatrième orifices qui se prolongent dans les premier et second blocs stratifiés depuis des faces extérieures de leurs plaques composites externes, les troisième et quatrième orifices étant reliés respectivement par des pistes électriquement conductrices aux premier et deuxième orifices communiquant avec les électrodes de commande de commutation des puces électroniques de commutation de puissance.
[0017] Selon un autre aspect, l’invention concerne également un ensemble démontable de commutation de puissance comprenant au moins deux éléments modulaires de commutation de puissance tels que décrits brièvement ci-dessus, et une pluralité de broches d’assemblage électriquement conductrices, dans lequel les broches d’assemblage électriquement conductrices sont insérées dans les orifices des éléments modulaires de commutation de puissance et assurent des fonctions d’assemblage mécanique et de liaison électrique entre les éléments modulaires de commutation de puissance.
[0018] Selon une caractéristique particulière, l’ensemble démontable de commutation de puissance comprend un canal de circulation de fluide formé par un écartement entre les éléments modulaires de commutation de puissance, ledit écartement étant obtenu au moyen des broches d’assemblage électriquement conductrices.
[0019] Selon une autre caractéristique particulière, l’ensemble démontable de commutation de puissance comprend également au moins un élément d’assemblage et d’interconnexion interposé entre les éléments modulaires de commutation de puissance, l’élément d’assemblage et d’interconnexion comportant au moins une barre électriquement conductrice dans laquelle sont aménagés une pluralité d’orifices traversants, les orifices traversants étant répartis avec le pas d’écartement fixe et recevant des broches conductrices d’assemblage.
[0020] Selon encore une autre caractéristique particulière, l’élément d’assemblage et d’interconnexion comporte au moins deux barres électriquement conductrices, les barres électriquement conductrices étant disposées avec un écartement déterminé entre elles de façon à former un canal de circulation de fluide.
[0021 ] D’autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous de plusieurs formes de réalisation particulières de l’invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la Fig.1 est une vue en perspective montrant l’architecture d’un module de commutation de puissance selon la technique antérieure ; la Fig.2 est une vue simplifiée en coupe montrant un ensemble démontable de deux éléments modulaires de commutation de puissance selon l’invention, dans une forme de réalisation particulière ; la Fig.3 est un schéma électrique simplifié des éléments modulaires de commutation de puissance de la Fig.2 ; la Fig.4 montre en vue de dessus et en coupe des électrodes de drain, de source et de grille présentes sur une même face dans une puce de transistor de type latéral ; les Figs.ôA à 5F sont des vues de dessus simplifiées montrant différentes plaques composites stratifiées comprises dans l’élément modulaire de commutation de puissance de la Fig.2 ; la Fig.6 est une vue en coupe partielle montrant la connexion à une électrode de grille de la puce de transistor au moyen d’orifices comportant une couche conductrice, à partir des faces haute et basse de l’élément modulaire de commutation de puissance de la Fig.2 ; la Fig.7 est une vue simplifiée en coupe montrant une première forme de réalisation d’un élément d’assemblage et d’interconnexion utilisable pour la réalisation d’ensembles démontables de commutation de puissance selon l’invention ; la Fig.8 est une vue simplifiée en coupe montrant un autre exemple de réalisation d’un ensemble démontable de commutation de puissance selon l’invention, comprenant des éléments d’assemblage et d’interconnexion comme montrés à la Fig.7 ; et la Fig.9 est une vue simplifiée en coupe montrant une deuxième forme de réalisation d’un élément d’assemblage et d’interconnexion utilisable pour la réalisation d’ensembles de commutation de puissance selon l’invention.
[0022] Dans l’état de la technique, l’encapsulage des puces de puissance pour la réalisation de modules de commutation de puissance fait grandement appel à une technologie dérivée de la technologie dite « IMS » (pour « Insulated Métal Substrate »). La puce est implantée dans une structure en sandwich entre deux plaques conductrices en cuivre. Des techniques de dépôt électrolytique de cuivre et de frittage d’argent sont utilisées pour l’interconnexion électrique de la puce. Des diélectriques composés de résines de type époxy, renforcées ou pas à la fibre de verre, ou de polyimides, sont utilisés pour l’isolation électrique. Le découpage et le perçage au rayon iaser sont fréquemment utilisés pour le retrait de matière. Des pistes et pastilles de cuivre pour l’interconnexion électrique sont obtenues typiquement par gravure humide d’une feuille de cuivre. [0023] Ainsi, comme montré par l’exemple de l’état de la technique de la Fig.1 , l’empilage 3D d’un module de commutation de puissance PM formé d’une branche de pont de commutation comprend des puces de transistor THS et TLS, des bus barres +DC et -DC, un bus barre central OUT, des feuilles conductrices d’interconnexion CGu et CGL et des couches diélectriques d’isolation électrique IS1 u, IS2u et IS1 L, IS2i_. Les bus barres +DC, - DC et OUT et les feuilles conductrices d’interconnexion CGu et CGL sont en cuivre et les couches diélectriques d’isolation électrique IS1 u, IS2u et IS1 L, IS2L sont typiquement réalisées avec les matériaux susmentionnés à base de résines époxy ou poiyi ides
[0024] Les puces de transistor THS et TLS sont ici de type vertical et comportent des électrodes de source et drain (non repérées) situées respectivement sur des faces haute et basse de la puce. Les électrodes de source et drain sont reliées électriquement aux bus barres. L’électrode de grille Gu, GL, de la puce de transistor THS, TLS, est située sur la face haute de la puce. Les électrodes de grilles Gu et GL sont reliées aux feuilles conductrices d’interconnexion CGu et CGL par des pistes conductrices Cu et CL et en continuité électrique avec des bornes de contact GPu et GPL, respectivement. La couche diélectrique d’isolation électrique IS1 u, IS1 L, assure une isolation électrique entre le bus barre +DC, -DC, et la feuille conductrice d’interconnexion CGu, CGL, respectivement. La couche diélectrique d’isolation électrique IS2u, IS2L, assure une isolation électrique entre la feuille conductrice d’interconnexion CGu, CGL, et le bus barre central OUT, respectivement.
[0025] Les connexions électriques des puces THS et TLS aux tensions continues d’alimentation sont assurées par les bus barres +DC et -DC. La commande des électrodes de grilles Gu et GL est assurée à travers les bornes de contact GPu et GPL. Le point milieu de la branche de commutation PM est disponible sur le bus barre central OUT dédié à la tension alternative.
[0026] L’architecture de ce module de commutation de puissance PM de l’état de la technique n’est pas adaptée pour des puces de transistor de type latéral. Par ailleurs, comme visible à la Fig.1 , les bornes de contact GPu et GPL, pour l’accès aux électrodes de grille des puces, sont localisées latéralement sur la structure, c’est-à-dire sur la tranche de celle-ci. Cette localisation des bornes de contact GPu et GPL est souvent un inconvénient. En effet, des moyens connectiques supplémentaires doivent être prévus pour amener les liaisons électriques jusqu’au circuit de commande qui est disposé typiquement sur la face haute ou basse de la structure.
[0027] Dans le concept de l’invention, l’élément modulaire de commutation de puissance est un composant standard qui est adapté pour l’intégration de puces de transistor de type latéral. Avantageusement, l’élément modulaire de commutation de puissance est réalisé avec les techniques de fabrication des cartes à circuit imprimé, dites PCB de « Printed Circuit Board » en anglais. Ces techniques sont parfaitement maîtrisées et permettent une fabrication à faible coût.
[0028] Ainsi, pour la réalisation des éléments modulaires de commutation de puissance selon l’invention, il pourra être fait appel à une combinaison de différentes techniques de fabrication comprenant la stratification, la photolithographie, l’électrodéposition de métal, la gravure humide et d’autres. Pour l’interconnexion des puces de puissance, il pourra être fait appel à la soudure en phase liquide transitoire dite soudure TLP, le frittage de poudre de nanoparticules métalliques ou la soudure par diffusion. La découpe et le perçage laser seront également utilisés et, éventuellement, d’autres moyens tels que le matriçage à l’emporte-pièce pour la découpe des films ou feuilles d’isolant et de cuivre.
[0029] En référence aux Figs.2 à 4, 5A à 5F et 6, il est maintenant décrit en détail ci- dessous une forme de réalisation particulière d’un élément modulaire de commutation de puissance selon l’invention.
[0030] A la Fig.2, il est montré un ensemble démontable de commutation de puissance ES comprenant deux éléments modulaires de commutation de puissance 1 A et 1 B selon l’invention. Les éléments modulaires de commutation de puissance 1 A et 1 B sont des éléments standard. Dans l’ensemble ES, les éléments modulaires de commutation de puissance 1A et 1 B sont destinés à être superposés et assemblés selon les flèches F.
[0031 ] Les éléments modulaires 1 A et 1 B sont montrés dans un état de pré-assemblage à la Fig.2. Neuf broches conductrices d’assemblage 2i, à 2g sont représentées et sont prévues pour se loger dans des orifices des éléments modulaires de commutation de puissance 1 A et 1 B. Les broches conductrices d’assemblage 2i, à 2g ont pour fonction d’assurer l’assemblage mécanique et les liaisons électriques entre les éléments modulaires de commutation de puissance 1 A et 1 B.
[0032] On notera que les éléments modulaires de commutation de puissance 1 A et 1 B ne seront pas forcément assemblés de manière jointive et qu’un écartement pourra être conservé entre eux au moyen des broches conductrices d’assemblage 2i à 2g, de façon à former un canal de circulation de fluide CAL. [0033] Dans cette forme de réalisation, l’élément modulaire de commutation de puissance 1 A, 1 B, est une branche d’un pont de transistors, dite également « demi-pont », comprenant deux puces de transistor CPH et CPL de type latéral.
[0034] Un exemple de schéma électrique simplifié de l’élément modulaire de commutation de puissance 1 A, 1 B est montré à la Fig.3. Les puces de transistor CPH, CPL, comprennent des électrodes de drain, de source et de grille D1 , D2, S1 , S2 et G1 , G2. Les électrodes de drain D1 et de source S2 sont reliées respectivement à des bus d’alimentation électrique de courant continu B+ et B-. Les électrodes de source S1 et de drain D2 sont interconnectées et fournissent la sortie commutée SW de l’élément modulaire de commutation de puissance 1 A, 1 B. La commutation des puces de transistor CPH, CPL, sont commandées à travers les électrodes de grilles G1 , G2.
[0035] La puce de transistor CPH, CPL, est montrée schématiquement en coupe et en vue de dessus à la Fig.4. La vue de dessus montre la face haute de la puce de transistor CPH, CPL, sur laquelle sont agencées des électrodes de source S1 , S2, de drain D1 , D2, et de grille G1 , G2. Conformément à la structure latérale de la puce de transistor CPH, CPL, les électrodes de source S1 , S2, et de drain D1 , D2, se prolongent latéralement et parallèlement sur le plan de surface, de part et d’autre de l’électrode de grille G1 , G2, disposée centralement. Les électrodes de source S1 , S2, et de drain D1 , D2, forment les électrodes de puissance de la puce de transistor CPH, CPL, et l’électrode de grille G1 , G2, forme l’électrode de commande de commutation de celle-ci.
[0036] L’ensemble ES de la Fig.2, comme cela apparaîtra plus clairement par la suite dans la description, est un agencement de deux demi-ponts connectés en parallèle, typiquement pour passer davantage de courant. Ainsi, les électrodes de drain D1 , D2, de source S1 , S2, et de grille G1 , G2, sont reliées électriquement deux à deux. L’ensemble ES est une association simple de deux éléments modulaires de commutation de puissance selon l’invention décrite ici à titre d’exemple illustratif. Bien entendu, conformément à l’invention, des associations de modules plus complexes et diverses sont possibles, notamment avec l’aide d’éléments d’assemblage et d’interconnexion, comme cela sera décrit par la suite en référence aux Figs.7 à 9.
[0037] L’élément modulaire de commutation de puissance 1 A est maintenant décrit ci- dessus en détail, sachant que les deux éléments 1 A et 1 B sont identiques et que la description de l’élément 1A vaut aussi pour l’élément 1 B. [0038] Comme visible à la Fig.2, l’élément modulaire de commutation de puissance 1A est formé de deux blocs stratifiés, BHA et BLA, qui intègrent respectivement les puces de transistor CPH et CPL. On notera que d’autres formes de réalisation de l’élément modulaire de commutation de puissance selon l’invention pourront comprendre un nombre de puces de transistor supérieur à deux.
[0039] Les blocs stratifiés, BHA et BLA, ont des architectures analogues et sont assemblés selon une configuration antisymétrique relativement à un plan de jonction matérialisée par une couche de jonction JC.
[0040] Dans le bloc stratifié BHA, la puce de transistor CPH est enterrée dans la structure, en sandwich, entre une plaque composite externe PEHA et une plaque composite interne PIHA. Une couche diélectrique intermédiaire CDHA sépare les plaques composites externe PEHA et interne PIHA. Trois plaques composites minces PH1A, PH2A, et PH3A sont également stratifiées entre la plaque composite interne PI HA et la couche de jonction JC avec le bloc stratifié BLA. A la Fig.2, la puce de transistor CPH a sa face haute orientée vers le bas, la face haute comprenant les électrodes de drain D1 , de source S1 et de grille G1 montrées à la Fig.4.
[0041 ] Dans le bloc stratifié BLA, la puce de transistor CPL est enterrée dans la structure, en sandwich, entre une plaque composite externe PELA et une plaque composite interne PILA. Une couche diélectrique intermédiaire CDLA sépare les plaques composites externe PELA et interne PILA. Trois plaques composites minces PL1A, PL2A, et PL3A sont également stratifiées entre la plaque composite interne PILA et la couche de jonction JC avec le bloc stratifié BHA. A la Fig.2, la puce de transistor CPL a sa face haute orientée vers le haut, la face haute comprenant les électrodes de drain D2, de source S2 et de grille G2 montrées à la Fig.4.
[0042] Les configurations de la plaque composite externe PEHA, la couche diélectrique intermédiaire CDHA, la plaque composite interne PIHA et les trois plaques composites minces PH 1A, PH2A, et PH3A sont analogues à celles de la plaque composite externe PELA, la couche diélectrique intermédiaire CDLA, la plaque composite interne PI LA, et les trois plaques composites minces PL1A, PL2A, et PL3A, et sont montrées aux Figs.ôA à 5F, respectivement.
[0043] Des pluralités d’orifices métallisés OG1 , OG3, OG5, et des orifices métallisés OG2, OG4 et OG20, OG40, sont percés, typiquement par laser, dans la plaque composite externe PEHA, PELA, la couche diélectrique intermédiaire CDHA, CDLA, la plaque composite interne PI HA, PILA, et les trois plaques composites minces PH1A, PL1 A, PH2A, PL2A, et PH3A, PL3A. De manière générale, l’ensemble des orifices sont réalisés suivant des axes perpendiculaires aux plans de surface hauts et bas de la plaque composite externe, la couche diélectrique intermédiaire, la plaque composite interne et les trois plaques composites minces.
[0044] Les orifices OG1 à OG5 sont visibles aussi à la Fig.2 qui montre une vue en coupe selon l’axe AA des Figs.ôA à 5F. Une couche conductrice intérieure Cl, typiquement en cuivre, métallisé la paroi interne des orifices et assure la conduction électrique de ceux-ci. La couche conductrice intérieure Cl est visible à la Fig.2 pour les orifices OG1 à OG5 et dans la vue en coupe de la Fig.6 pour les orifices OG2, OG4, et OG20, OG40. L’ensemble des orifices métallisés OG1 à OG5 et OG20, OG40, sont prévus de façon à autoriser l’insertion de broches conductrices d’assemblage telles que les broches 2i à 2g.
[0045] Comme montré aux Figs.5A et 2, la plaque composite externe PEHA, PELA, comprend des bus externes BEH+, BEL+, et BEH-, BEL-, typiquement en cuivre. Les bus externes BEH+, BEL+, et BEH-, BEL- sont compris dans un cadre diélectrique CA1 . Les bus externes BEH+, BEL+, et BEH-, BEL-, sont destinés à être connectés aux bus d’alimentation électrique de courant continu B+ et B- (cf. Fig.3), respectivement.
[0046] La couche diélectrique intermédiaire CDHA, CDLA, est visible à la Fig.5B. Elle comprend une découpe formant un logement LC pour la puce de transistor CPH, CPL.
[0047] Comme montré aux Figs.5C et 2, la plaque composite interne PI HA, PI LA, comprend des bus internes latéraux BIH+, BIL+ et BIH-, BIL-, et un bus interne central BCH, BCL, typiquement en cuivre. Les bus sont compris dans un cadre diélectrique CA2. L’implantation de la puce de transistor CPH est visible à la Fig.5C. Dans la plaque composite interne PI HA, les électrodes de drain D1 et de source S1 de la puce de transistor CPH sont reliées respectivement au bus interne latéral BIH+ et au bus interne central BCH. Dans la plaque composite interne PI LA, les électrodes de drain D2 et de source S2 de la puce de transistor CPL sont reliées respectivement au bus interne central BCL et au bus interne latéral BIL-.
[0048] Comme montré à la Fig.5D, la plaque composite mince PH1A, PL1 A, comprend des bus internes latéraux BH1 +, BL1 +, et BH1 -, BL1 -, et un bus interne central BCH1 , BCL1 , contenus dans un cadre diélectrique CA3 et correspondant respectivement aux bus internes latéraux BIH+, BIL+ et BIH-, BIL-, et au bus interne central BCH, BCL, de la plaque composite interne PI HA, PI LA. La plaque composite mince PH2A, PL2A, montrée à la Fig.5E, comprend des bus internes latéraux BH2+, BL2+, et BH2-, BL2-, et un bus interne central BCH2, BCL2, contenus dans un cadre diélectrique CA4 et correspondant respectivement aux bus internes latéraux BIH+, BIL+ et BIH-, BIL-, et au bus interne central BCH, BCL, de la plaque composite interne PI HA, PI LA. La plaque composite mince PH3A, PL3A, montrée à la Fig.5F, comprend des bus internes latéraux BH3+, BL3+, et BH3-, BL3-, et un bus interne central BCH3, BCL3, contenus dans un cadre diélectrique CA5 et correspondant respectivement aux bus internes latéraux BIH+, BIL+ et BIH-, BIL-, et au bus interne central BCH, BCL, de la plaque composite interne PI HA, PI LA.
[0049] La pluralité d’orifices OG1 sont alignés sur une partie latérale du bus externe BEH+, BEL+, de la couche diélectrique intermédiaire CDHA, CDLA, du bus interne latéral BIH+, BIL+, et des bus internes latéraux BH1 +, BL1 +, BH2+, BL2+, et BH3+, BL3+, et forment des vias d’interconnexion électrique entre ces bus dans les blocs stratifiés BHA et BLA. La pluralité d’orifices OG5 sont alignés sur une partie latérale du bus externe BEH-, BEL-, de la couche diélectrique intermédiaire CDHA, CDLA, du bus interne latéral BIH-, BIL-, et des bus internes latéraux BH1 -, BL1 -, BH2-, BL2-, et BH3-, BL3-, et forment des vias d’interconnexion électrique entre ces bus dans les blocs stratifiés BHA et BLA.
[0050] La pluralité d’orifices OG3 sont alignés dans des portions centrales de la plaque composite externe PEHA, PELA, de la couche diélectrique intermédiaire CDHA, CDLA, de la plaque composite interne PI HA, PI LA, et des trois plaques composites minces PH 1 A, PL1 A, PH2A, PL2A, et PH3A, PL3A. La pluralité d’orifices OG3 forment des vias d’interconnexion électrique entre les bus internes centraux BCH, BCL, BCH1 , BCL1 , BCH2, BCL2, et BCH3, BCL3, dans les blocs stratifiés BHA et BLA. Ces bus internes centraux correspondent à la sortie commutée SW (Fig.3) de l’élément modulaire de commutation de puissance 1 A. Les orifices OG3 permettent ainsi de disposer plusieurs points de connexion à cette sortie commutée SW sur les faces haute et basse de l’élément modulaire de commutation de puissance 1 A, ici à travers notamment les broches conductrices d’assemblage 22 et 25, visibles à la Fig.2.
[0051 ] Les orifices OG2 et OG4 sont percés dans des portions diélectriques des cadres diélectriques CA1 à CA5 et les couches diélectriques intermédiaires CDHA, CDLA. Les orifices OG2 et OG4 sont percés au niveau des emplacements des puces de transistor CPH et CPL. Comme montré à la Fig.4, les orifices OG2 et OG4 sont disposés pour venir en correspondance avec les électrodes de grille G1 et G2 des puces de transistor CPH et CPL, respectivement, de façon à permettre la connexion électrique des électrodes de grille G1 , G2, avec la couche conductrice intérieure Cl des orifices OG2, OG4. [0052] Les orifices OG20 et OG40 sont percés dans un bord des cadres diélectriques CA1 à CA5 et les couches diélectriques intermédiaires CDHA, CDLA et sont reliés électriquement aux orifices OG2 et OG4, respectivement. La connexion électrique des orifices OG2, OG4, et OG20, OG40 est montrée aux Figs.5F et 6, et est assurée par des pistes de cuivre P2, P4 dans les plaques composites minces PH3A et PL3A. Les pistes de cuivre P2 et P4 sont reliées aux couches conductrices intérieures Cl des orifices OG2, OG20, et OG4, OG40, respectivement, de façon à autoriser des connexions aux électrodes de grille G1 et G2 sur les faces haute et basse de l’élément modulaire de commutation de puissance 1 A.
[0053] Dans cette forme particulière de réalisation, on notera que les orifices OG1 , OG3, et OG5 sont des orifices métallisés traversants assurant les liaisons électriques des bus entre les faces haute et basse de l’élément modulaire de commutation de puissance 1 A. Les orifices OG2 et OG4 ne peuvent pas être traversants compte-tenu de la présence des puces de transistor CPH et CPL. Les moyens formés par les pistes de cuivre P2 et P4 et les orifices OG20 et OG40 permettent de rendre disponibles les connexions avec les électrodes de grille G1 et G2 sur les faces haute et basse de l’élément modulaire de commutation de puissance 1 A.
[0054] Comme visible aux Fig.5A à 5F, les pluralités d’orifices OG1 , OG3 et OG5 sont réalisés avec un même pas d’écartement fixe P entre les orifices de manière à autoriser la mise en coïncidence de ceux-ci lors de l’assemblage des éléments modulaires, ici l’assemblage des éléments modulaires 1 A et 1 B.
[0055] Comme montré aux Figs.7 et 8, des éléments d’assemblage et d’interconnexion standard Bl sont prévus dans l’invention et pourront être utilisés pour réaliser des ensembles démontables de commutation de puissance AS comprenant un grand nombre d’éléments modulaires 4A, 4B, 4C, .... Conformément à l’invention, les éléments modulaires 4A, 4B, 4C, ..., pourront être agencés dans trois dimensions pour former des ensembles AS. Plusieurs éléments d’assemblage et d’interconnexion BU, BIB, ..., pourront être utilisés pour créer ces ensembles AS.
[0056] Comme mieux visible à la Fig.7, les éléments d’assemblage et d’interconnexion Bl se présentent typiquement sous la forme de barres ou plaquettes conductrices munies de broches conductrices d’assemblage. Dans l’exemple de réalisation de la Fig.7, la barre conductrice 3 est typiquement en cuivre et comporte une pluralité de broches hautes, 2IOH à 2i4H, et basses, 2IOL à 2I4I_. Les broches conductrices d’assemblage sont montées, avec serrage, dans des orifices OE de la barre conductrice 3. Les orifices OE ont entre eux un écartement qui est égal au pas P. Les broches sont ici montées par paire dans les orifices OE, une broche haute et une broche basse étant insérées dans un même orifice OE. On notera qu’une broche de plus grande longueur pourra être employée dans d’autres formes de réalisation pour remplacer la paire de broches haute et basse dans un même orifice OE.
[0057] D’autres éléments d’assemblage et d’interconnexion BIF, comme celui montré à la Fig.9, sont utilisables dans les ensembles AS de l’invention pour réaliser des canaux CAN destinés typiquement à la circulation d’un fluide caloporteur ou ignifuge, ou à des caloducs.
[0058] Dans l’exemple de réalisation de la Fig.9, trois barres conductrices 5 sont empilées et assemblées mécaniquement par des broches OF. Un écartement est conservé entre les barres 5 de manière à obtenir les canaux CAN. [0059] L’invention ne se limite pas aux formes de réalisation particulières qui ont été décrites ici à titre d’exemple. L’homme du métier, selon les applications, pourra apporter différentes modifications et variantes entrant dans le champ de protection de l’invention.

Claims

REVENDICATIONS
1) Elément modulaire de commutation de puissance (1 A, 1 B) comprenant des premier et deuxième blocs stratifiés (BHA, BLA) assemblés selon une configuration antisymétrique relativement à un plan de jonction (JC), chacun desdits premier et deuxième blocs stratifiés (BHA, BLA) comprenant une puce électronique de commutation de puissance (CPH, CPL) implantée dans une stratification entre une plaque composite externe (PEHA, PELA) et une plaque composite interne (PI HA, PI LA) séparées par une couche diélectrique intermédiaire (CDHA, CDLA), lesdites plaques composites externe (PEHA, PELA) et interne (PI HA, PI LA) ayant chacune des bus de conduction électrique (BEH+, BEL+, BEH-, BEL- ; BIH+, BIL+, BIH-, BIL-, BCH, BCL), chaque dite puce électronique de commutation de puissance (CPH, CPL) ayant une face comprenant des première et deuxième électrodes de puissance (D1 , D2, S1 , S2) et une électrode de commande de commutation (G1 , G2), lesdites première et deuxième électrodes de puissance (D1 , D2, S1 , S2) étant reliées électriquement à des premier (BIH+, BCL) et deuxième (BCH, BIL-) bus internes de conduction électrique respectifs de ladite plaque composite interne (PI HA, PI LA), dans lequel une pluralité d’orifices (OG1 à OG5, OG20, OG40) comprenant chacun une couche interne électriquement conductrice (Cl) se prolongent dans lesdits premier et second blocs stratifiés (BHA, BLA) depuis des faces extérieures de leurs dites plaques composites externes (PEHA, PELA), ladite pluralité d’orifices (OG1 à OG5, OG20, OG40) comprenant au moins des premier et deuxième orifices (OG2, OG4) communiquant chacun avec une dite électrode de commande de commutation respective (G1 , G2) desdites puces électroniques de commutation de puissance (CPH, CPL) et au moins des première, deuxième et troisième pluralités d’orifices (OG1 , OG3, OG5) traversant totalement lesdits premier et deuxième blocs stratifiés (BHA, BLA), interconnectant électriquement des dits bus de conduction électrique (BEH+, BEL+, BEH-, BEL- ; BIH+, BIL+, BIH-, BIL-, BCH, BCL) desdits premier et deuxième blocs stratifiés (BHA, BLA) et ayant un pas d’écartement fixe (P) entre les orifices (OG1 , OG3, OG5).
2) Elément modulaire de commutation de puissance selon la revendication 1 , caractérisé en ce que lesdites puces électroniques de commutation de puissance (CPH, CPL) sont des puces de transistor de type latéral.
3) Elément modulaire de commutation de puissance selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite première pluralité d’orifices (OG1 ) interconnectent électriquement ledit premier bus interne de conduction électrique (BIH+) de ladite plaque composite interne (PIHA) dudit premier bloc stratifié (BHA) à des premiers bus externes de conduction électrique (BEH+, BEL+) des plaques composites externes (PEHA, PELA) desdits premier et deuxième blocs stratifiés (BHA, BLA).
4) Elément modulaire de commutation de puissance selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite deuxième pluralité d’orifices (OG5) interconnectent électriquement ledit deuxième bus interne de conduction électrique (BIL-) de ladite plaque composite interne (PI LA) dudit deuxième bloc stratifié (BLA) à des deuxièmes bus externes de conduction électrique (BEL-, BEH-) des plaques composites externes (PELA, PEHA) desdits premier et deuxième blocs stratifiés (BLA, BHA).
5) Elément modulaire de commutation de puissance selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite troisième pluralité d’orifices (OG3) interconnectent électriquement ledit deuxième bus interne de conduction électrique (BCH) et ledit premier bus interne de conduction électrique (BCL) desdites plaques composites internes (PIHA, PI LA) desdits premier et deuxième blocs stratifiés (BHA, BLA).
6) Elément modulaire de commutation de puissance selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite pluralité d’orifices (OG1 à OG5, OG20, OG40) comprend également des troisième et quatrième orifices (OG20, OG40) qui se prolongent dans lesdits premier et second blocs stratifiés (BHA, BLA) depuis des faces extérieures de leurs dites plaques composites externes (PEHA, PELA), lesdits troisième et quatrième orifices (OG20, OG40) étant reliés respectivement par des pistes électriquement conductrices (P2, P4) auxdits premier et deuxième orifices (OG2, OG4) communiquant avec lesdites électrodes de commande de commutation (G1 , G2) desdites puces électroniques de commutation de puissance (CPH, CPL).
7) Ensemble démontable de commutation de puissance comprenant au moins deux éléments modulaires de commutation de puissance (1 A, 1 B) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, et une pluralité de broches d’assemblage électriquement conductrices (2i à 2g), dans lequel lesdites broches d’assemblage électriquement conductrices (2i à 2g) sont insérées dans desdits orifices (OG1 à OG5, OG20, OG40) desdits éléments modulaires de commutation de puissance (1 A, 1 B) et assurent des fonctions d’assemblage mécanique et de liaison électrique entre lesdits éléments modulaires de commutation de puissance (1 A, 1 B).
8) Ensemble démontable de commutation de puissance selon la revendication 7, caractérisé en ce qu’il comprend un canal de circulation de fluide (CAL) formé par un écartement entre lesdits éléments modulaires de commutation de puissance (1 A,
1 B), ledit écartement étant obtenu au moyen desdites broches d’assemblage électriquement conductrices (2i à 2g).
9) Ensemble démontable de commutation de puissance selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu’il comprend également au moins un élément d’assemblage et d’interconnexion (Bl, BIF) interposé entre lesdits éléments modulaires de commutation de puissance (4A, 4B), ledit élément d’assemblage et d’interconnexion (Bl, BIF) comportant au moins une barre électriquement conductrice (3, 5) dans laquelle sont aménagés une pluralité d’orifices traversants (OE), lesdits orifices traversants (OE) étant répartis avec ledit pas d’écartement fixe (P) et recevant lesdites broches conductrices d’assemblage (2IOH à 2MH ; 2IOL à 2ML, OF).
10) Ensemble démontable de commutation de puissance selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit élément d’assemblage et d’interconnexion (BIF) comporte au moins deux barres électriquement conductrices (5), lesdites barres électriquement conductrices (5) étant disposées avec un écartement déterminé entre elles de façon à former un canal de circulation de fluide (CAN).
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