EP4639616A1 - Module électronique de puissance multi-étages et hermétique - Google Patents

Module électronique de puissance multi-étages et hermétique

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Publication number
EP4639616A1
EP4639616A1 EP23841028.6A EP23841028A EP4639616A1 EP 4639616 A1 EP4639616 A1 EP 4639616A1 EP 23841028 A EP23841028 A EP 23841028A EP 4639616 A1 EP4639616 A1 EP 4639616A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
cover
power
face
conductive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23841028.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Christophe Riou
Nawres SRIDI-CONVERS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Electronics and Defense SAS
Original Assignee
Safran Electronics and Defense SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safran Electronics and Defense SAS filed Critical Safran Electronics and Defense SAS
Publication of EP4639616A1 publication Critical patent/EP4639616A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H10W76/60—Seals
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    • H10W70/20—Conductive package substrates serving as an interconnection, e.g. metal plates
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    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
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    • H10W42/00—Arrangements for protection of devices
    • H10W42/60—Arrangements for protection of devices protecting against electrostatic charges or discharges, e.g. Faraday shields

Definitions

  • the technical field of the invention is that of electronic power modules.
  • the present invention relates more particularly to an electronic power module comprising several electronic power components distributed over several levels or stages.
  • Electronic power modules allow the implementation of basic functions such as switching, rectification, voltage division, etc.
  • a so-called “2D” or “single-stage” power module generally comprises one or more electronic power components brazed onto a ceramic substrate provided with metal tracks.
  • the ceramic substrate is fixed on a copper base which serves as mechanical support and transfers the heat generated by the components to a cooling device, typically a heat sink.
  • the electrical connections inside the power module, between the components and the metal tracks of the substrate, are partly provided by connection wires (so-called bonding wires).
  • the components are enclosed in a case filled with encapsulation material.
  • the purpose of the encapsulation material is to ensure the dielectric strength of the power module and to protect the components from external attacks (humidity, contamination, etc.). In addition, it reinforces the electrical insulation between the conductors and improves resistance to partial discharges due in particular to defects in the metallizations of the ceramic substrate.
  • the power electronic components can be transistors, thyristors and diodes. These components are formed from a semiconductor material. Semiconductor materials with a wide bandgap (known as wide gap), such as gallium nitride (GaN), gallium arsenide (GaAs), silicon carbide (SiC) and diamond, tend to replace silicon, because of their best performance in terms of current density, operating frequency and voltage withstand.
  • GaN gallium nitride
  • GaAs gallium arsenide
  • SiC silicon carbide
  • diamond tend to replace silicon, because of their best performance in terms of current density, operating frequency and voltage withstand.
  • 3D There are also so-called “3D” or “multi-stage” electronic power modules comprising several electronic components distributed over different levels (also called “stages”). Electronic components are typically arranged on either side of a substrate, or even between several stacked substrates.
  • Document W02019/101634A1 describes a multi-stage electronic power module designed to reduce the risk of failure.
  • This power electronic module includes metal supports and power electronic components arranged on or between the metal supports.
  • the metal supports are assembled together so that the electronic power module has a general tubular external shape of circular section.
  • the supports have a T-shaped, F-shaped or right-angled section.
  • the metal supports in which the electrical power currents originating from or destined for the electronic components circulate, allow efficient dissipation of heat, by conduction, convection and radiation simultaneously.
  • Metallic supports constitute a substrate without a ceramic layer likely to be weakened by thermal cycles.
  • the electrical power module further comprises a waterproof cover, made of plastic, of tubular shape. This cover is attached to part of the metal supports.
  • the metal supports and the cover together define an interior channel, in which a cooling fluid circulates, for example a gas or a heat transfer liquid.
  • the circulation of the cooling fluid in the interior channel allows the module to be cooled.
  • the cooling fluid also provides electrical insulation of the module.
  • the electronic power module described by document W02019/101634A1 is, however, difficult to integrate into an electromechanical actuator, such as an electric motor, because of the circulation of the cooling fluid.
  • an electronic power module comprising: a substrate having a first face and a second face opposite the first face; a first power electronic component arranged on the first face of the substrate; a first cover disposed on the first face of the substrate and delimiting with the substrate a first cavity in which the first power electronic component is housed; a second power electronic component arranged on the second face of the substrate; a second cover disposed on the second face of the substrate and delimiting with the substrate a second cavity in which the second power electronic component is housed.
  • a first annular seal disposed between the substrate and the first cover, the first annular seal sealing the first cavity in a watertight manner; and a second annular seal disposed between the substrate and the second cover, the second annular seal sealing the second cavity.
  • the first and second annular seals are formed of a sintered material, preferably based on silver, and the first and second cavities contain a gas or a mixture of gases.
  • the gas (or mixture of gases) contained in the first and second sealed cavities ensures a high degree of electrical insulation between the interior elements of the power electronic module.
  • the power module is thus devoid of encapsulation material (generally a polymer material), which tends to degrade over the course of partial discharges in the 2D module of the prior art (in particular in the so-called triple point zone, between the ceramic substrate, the metal track carrying the electric current and the encapsulation material).
  • the first cover comprises: a first substrate formed of a first electrically insulating ceramic material; and at least one first conductive element passing through the first substrate and electrically connected to the first power electronic component; and the second cover comprises: a second substrate formed of a second electrically insulating ceramic material; and at least one second conductive element passing through the second substrate and electrically connected to the second power electronic component.
  • the first and second substrates are made of aluminum nitride.
  • the first and second covers each comprise a layer of metal and an electrically insulating layer disposed on an exterior face of the layer of metal.
  • the electronic power module may further comprise: a third power electronic component arranged on the first face of the substrate and housed in the first cavity; and a fourth power electronic component arranged on the second face of the substrate and housed in the second cavity.
  • the first power electronic component is connected in parallel with the third power electronic component
  • the second power electronic component is connected in parallel with the fourth power electronic component
  • the first power electronic component is a transistor
  • the second power electronic component is a transistor
  • the third power electronic component is a diode
  • the fourth power electronic component is a diode
  • the electronic power module according to the first aspect of the invention may have one or more complementary characteristics among the following, considered individually or in all technically possible combinations : the substrate is made of metal; the first power electronic component comprises a first terminal electrically connected to the substrate and a second terminal electrically connected to a conductive portion of the first cover; the second power electronic component comprises a first terminal electrically connected to the substrate and a second terminal electrically connected to a conductive portion of the second cover; each of the first and second electronic power components is electrically connected to the substrate via a conductive track and a conductive joint formed from the sintered material; the first electronic power component is electrically connected to the conductive portion of the first cover via a conductive track and a conductive seal formed from the sintered material; And the second electronic power component is electrically connected to the conductive portion of the second cover via a conductive track and a conductive seal formed from the sintered material.
  • a second aspect of the invention relates to an electromechanical actuator comprising at least one electronic power module according to the first aspect of the invention.
  • the electromechanical actuator preferably comprises a three-phase motor and a three-phase motor control and power circuit, the three-phase motor control and power circuit comprising a plurality of electronic power modules according to the first aspect of the invention to generate phase currents of the three-phase motor.
  • Each electronic power module is advantageously arranged opposite a coil head of the three-phase motor.
  • a third aspect of the invention relates to a method of manufacturing a power electronic module, comprising the following steps: providing a substrate, a first cover and a second cover; fix a first power electronic component on the first cover; deposit a sintering material on the first cover so as to form a first bead around the first power electronic component; fix a second electronic power component on the second cover; deposit the sintering material on the second cover so as to form a second bead around the second power electronic component; transfer the first cover to a first face of the substrate and the second cover to a second opposite face of the substrate, arranging the first and second beads of sintering material in contact with the substrate; and sintering the sintering material to form first and second annular seals, the first annular seal closing by sealingly a first cavity delimited by the first cover and the substrate and the second annular seal sealingly closing a second cavity delimited by the second cover and the substrate, the first and second cavities containing a gas or a mixture of gases .
  • the substrate is made of aluminum and the method further comprises, before the step of transferring the covers, a step of forming conductive tracks based on silver on the first face and the second face of the substrate, the step of forming silver-based conductive tracks comprising the following operations: deposition by screen printing of a paste comprising silver particles; drying of dough; and annealing the dough at a temperature greater than or equal to 570°C.
  • Figure 1 is a sectional view schematic of an electronic power module according to a first embodiment
  • Figure 2 is a schematic sectional view of an electronic power module according to a second embodiment
  • Figure 3 is a partial perspective view of a three-phase motor in which several electronic power modules are integrated
  • Figures 4A to 4E schematically represent steps of a manufacturing process of the power electronic module
  • Figure 5 shows an aluminum-silver phase diagram.
  • Figure 1 schematically represents an electronic power module 1 according to a first embodiment.
  • the electronic module of power 1 can have the function of converting an alternating voltage into direct voltage (function of a rectifier), converting a direct voltage into alternating voltage (inverter), modifying the effective value of an alternating voltage (dimmer), modifying the average value of a direct voltage (chopper) or modify the frequency of an alternating voltage (cycloconverter) or dissipate a current (active resistance).
  • the power module 1 comprises a substrate 10 and at least two power electronic components: a first component 11 a placed on a first face 10a of the substrate 10 and a second component 11 b arranged on a second face 10b of the substrate 10 , opposite the first face 10a.
  • the power module 1 comprises two component stages, a first stage comprising (at least) the first component 11 a and a second stage comprising (at least) the second component 11 b.
  • the substrate 10 is preferably metallic. It can be formed from a single metallic layer, for example aluminum or copper, or from several metallic layers stacked and formed from different metals. For example, it has the shape of a rectangular plate. Its thickness is preferably between 0.2 mm and 2 mm. It can have recesses, bosses (preferably with a width to height ratio of between 1 and 3) and extra thickness, in other words be textured. Thus, its faces 10a-10b are not necessarily planar, as is represented schematically in Figure 1. They may also be rough and/or porous.
  • the substrate 10 advantageously forms a power conductor which carries one or more electrical outputs of the power module 1. It is capable of conducting high electrical current, typically greater than 20 A.
  • One or more additional conductors 12 can be fixed to the substrate 10, in order to facilitate the connection of the power module 1 to one or more electrical devices (an electric motor and a current sensor in the example below).
  • the power module 1 of Figure 1 comprises two additional conductors 12 fixed on two opposite side faces of the substrate 10. These additional conductors 12 then constitute output terminals of the power module 1.
  • Each additional conductor 12 preferably extends perpendicular to the substrate 10.
  • the substrate 10 thus serves as an electrical bridge (or common point) between the two component stages.
  • the temperature at the substrate 10 is substantially constant thanks to the fact that it is entirely metallic. Sudden temperature variations called transients are eliminated, which has the effect of reducing (thermal) noise on the electrical output(s) of power module 1 and improving reliability from the point of view of thermomechanical constraints.
  • the substrate 10 is advantageously covered, on each of its faces 10a-10b, with one or more electrically conductive tracks 13 commonly called finishes.
  • These conductive tracks 13 are preferably made of a silver-based conductive material, which has the advantage of being stainless.
  • the first and second components 11 a-11 b are each electrically connected to the substrate 10, preferably via one of the conductive tracks 13 and a conductive joint 14 formed of sintered material.
  • the conductive joint 14 is placed on the conductive track 13.
  • the sintered material of the conductive joints 14 is advantageously based on silver or copper.
  • a conductive joint 14 based on silver and a conductive track 13 based on the same metal form a high-performance electrical and mechanical connection, particularly in terms of resistance and electrical and thermal conductivities. This type of connection notably supports high operating temperatures, common in power electronic modules.
  • the conductive joints 14 based on silver or copper are formed on conductive tracks or finishes of the ENIG (“Electroless nickel immersion gold”) or ENEPIG (“Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold”) type.
  • ENIG Electroless nickel immersion gold
  • ENEPIG Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold
  • the power module 1 further comprises: a first cover 15a disposed on the first face 10a of the substrate 10; a second cover 15b disposed on the second face of the substrate 10; a first annular seal 16a disposed between the substrate 10 and the first cover 15a; and a second annular seal 16b disposed between the substrate 10 and the second cover 15b.
  • the first cover 15a delimits with the substrate 10 a first cavity 17a in which the first component 11 a is housed, while the second cover 15b delimits with the substrate 10 a second cavity 17b in which the second component 11 b is housed. .
  • the first component 11a is electrically connected to the first cover 15a and the second component 11b is electrically connected to the second cover 15b.
  • the components 11 a-11 b are advantageously connected to the covers 15a-15b in the same way as to the substrate 10, via conductive tracks 13 (here arranged on the interior faces of the covers 15a-15b) and conductive joints 14.
  • the first annular seal 16a and the second annular seal 16b respectively close the first cavity 17a and the second cavity 17b in a watertight manner. They are made of a sintered material, preferably silver-based. This sintered material is advantageously the same as that of the conductive seals 14. Using the same sintered material to form the conductive seals 14 and the annular seals 16a-16b greatly simplifies the manufacture of the power module 1.
  • each annular seal 16a, 16b is advantageously placed in contact with a conductive track 13 placed on the substrate 10.
  • the substrate 10 extends beyond the annular seals 16a-16b to be able to make the electrical connection of the power module 1 (directly or via the additional conductors 12).
  • the cavities 17a-17b contain a gas, preferably a neutral gas such as argon, nitrogen or helium. Alternatively, they may contain a mixture of gases, for example air.
  • the pressure of the gas (or gas mixture) can be atmospheric pressure (at the time when the cavities 17a-17b are sealed) or a much lower pressure, typically less than 133.3x10' 3 Pa (i.e. 10' 3 Torr ), of so as to obtain a primary vacuum configuration.
  • the gas pressure is advantageously between 133.3x1 O' 6 Pa (10 -6 Torr) and 133.3x1 O' 7 Pa (10 -7 Torr), i.e. a secondary vacuum configuration, to avoid partial discharges which may appear in primary vacuum.
  • the cavities 17a-17b do not contain water vapor.
  • the gas contained in the cavities 17a-17b ensures electrical insulation between the interior elements of the power module 1.
  • the annular seals 16a-16b prevent humidity from penetrating into the cavities 17a-17b, which could cause partial discharges. This helps to increase the reliability of components and their electrical connections.
  • the electrical insulation of the electronic power module 1 is independent of cooling and does not require the circulation of a fluid as in the module of the prior art, which facilitates its integration.
  • the annular seals 16a-16b make it possible to obtain a RJC junction-box thermal resistance of less than 0.3°C/W. They also make it possible to obtain a more compact module than those of the prior art with an encapsulation (or coating) material.
  • the covers 15a-15b preferably have a general parallelepiped shape.
  • Each of the covers 15a-15b advantageously has a thickness of between 0.2 mm and 2 mm.
  • the power module 1 is compact, unlike the power module of the prior art whose metal supports have right angles.
  • the thickness of the covers 15a-15b can be constant or substantially constant (thickness variation less than 100 pm).
  • One or both covers 15a-15b may alternatively present a peripheral rim, which extends towards the substrate 10, in order to increase the volume of the first cavity 17a and/or the second cavity 17b (in particular depending on the thickness of the components they contain).
  • the covers 15a and 15b are manufactured using the same material(s) and have identical dimensions, making the power module 1 generally symmetrical with respect to the substrate 10. This symmetry reduces the mechanical constraints within the power module 1, in particular the bending constraints (by locating the neutral plane of the module in the substrate 10).
  • the first and second components 11 a-11 b are preferably active components, for example of the transistor, diode or thyristor type. They include at least two terminals or electrodes (not shown in the figure).
  • the first terminals of the first and second components 11 a- 11 b are electrically connected to the substrate 10
  • the second terminal of the first component 11 a is electrically connected to a conductive portion of the first cover 15a
  • the second terminal of the second component 11 b is electrically connected to a conductive portion of the second cover 15b.
  • the covers are functionalized in the sense that they are used to pass electrical signals between the exterior and interior of the power module 1.
  • the electrical connection of the electronic power module 1 is advantageously carried out on the exterior faces of the covers 15a-15b and at at least one of the ends of the central substrate 10, which further facilitates its integration, particularly in electrical devices where available space is limited.
  • the exterior faces of the covers 15a-15b are preferably planar or substantially planar (thickness variation less than 100 ⁇ m).
  • the covers 15a-15b each comprise a substrate 151 made of an electrically insulating ceramic material and one or more electrically conductive elements 152 passing through the substrate 151.
  • the conductive elements 152 also called inserts, are hermetic , that is to say they prevent any exchange of fluid (such as water vapor) between the outside and the inside of the power module 1. They are used to conduct electric currents between the outside and inside the module, to or from the power electronic components.
  • At least one conductive element 152 of the first cover 15a is electrically connected to the second terminal of the first component 11a and at least one conductive element 152 of the second cover 15b is electrically connected to the second terminal of the second component 11b .
  • the components 11a-11b are advantageously connected to the conductive elements 152 of the covers 15a-15b in the same way as in substrate 10, via conductive tracks 13 (here arranged on the interior faces of the covers 15a-15b) and conductive joints 14.
  • the conductive elements 152 can also be used to dissipate the heat generated by the components 11 a-11 b (electrically and thermally conductive elements).
  • the conductive elements 152 may in particular be vias or heat sinks. They are preferably formed from one or more metals, for example chosen from copper, aluminum, tungsten, gold, titanium, silver, palladium and their alloys.
  • the substrates 151 of the covers 15a-15b are preferably formed of the same ceramic material, for example aluminum nitride (AIN), aluminum oxide (AI2O3), silicon carbide (SiC ), aluminum-silicon carbide (AlSiC) or silicon nitride (SisN4).
  • Aluminum nitride is particularly advantageous because it has high thermal conductivity, high electrical resistivity and can easily integrate hermetic inserts. Compared to metals, it also has a coefficient of thermal expansion closer to that of the semiconductor materials constituting the basis of components 11 a-11 b. Covers 15a-15b comprising aluminum nitride therefore have the advantage of considerably reducing the thermomechanical constraints within the power module 1.
  • the power module 1 can include more than two power electronic components, for example two per stage, or four in total.
  • the power module 1 can thus comprise: a third component 11c arranged on the first face 10a of the substrate 10 and housed in the first cavity 17a; a fourth component 11 d disposed on the second face 10b of the substrate 10 and housed in the second cavity 17b.
  • each of the third and fourth components 11 c-11d is connected to the substrate 10 and to at least one conductive element 152 of the covers 15a-15b, preferably via a conductive track 13 and a conductive seal 14 made of sintered material.
  • the electronic power module 1 can be (easily) integrated into an electromechanical actuator.
  • the electromechanical actuator comprises a three-phase motor and a power supply and control circuit for the three-phase motor.
  • This electrical circuit comprises a plurality of power modules 1, preferably as many power modules 1 as the three-phase motor comprises inductors or coils. Each power module 1 is used to power the motor, by generating one of the motor phase currents.
  • Figure 3 represents part of the three-phase motor 40. Only three coils are shown and the motor shaft has been deliberately omitted.
  • the power modules 1 are advantageously arranged inside the motor 40, preferably facing the coil heads 41 of the motor 40 (one module per coil).
  • the power module 1 is in a four-component configuration.
  • the components 11 a-11d are connected together so as to form a bridge arm of an inverter assembly.
  • the first component 11a is a transistor (preferably a metal-oxide gate field effect transistor, or MOSFET, or an insulated gate bipolar transistor, or IGBT)
  • the second component 11b is a transistor (preferably a MOSFET or IGBT)
  • the third component 11c is a diode
  • the fourth component 11d is a diode.
  • the first component 11a (transistor) and the third component 11c (diode) are connected in parallel, between a positive supply voltage V+, carried by a conductive element 152 of the first cover 15a (for example a heat sink made of copper-tungsten alloy), and a first electrical output Vs of the power module 1, carried by the substrate 10.
  • the second component 11 b (transistor) and the fourth component 11d (diode) are connected in parallel, between a negative supply voltage V-, carried by a conductive element 152 of the second cover 15b (for example a heat sink made of copper-tungsten alloy), and the electrical output Vs of the power module 1.
  • a first control signal G1 is routed to the gate electrode of transistor 11a, here via a via 152 (for example made of tungsten). passing through the first cover 15a, a conductive seal 14 of sintered material and a conductive track 13 arranged on the first face 10a of the substrate 10 but electrically isolated from it by a first dielectric layer 18.
  • a second control signal G2 is routed to the gate electrode of transistor 11b, here via a via 152 (for example made of tungsten) passing through the second cover 15b and a conductive track 13 arranged on the interior face of the second cover 15b (possibly covered with a second dielectric layer 18 to reinforce the electrical insulation).
  • a via 152 for example made of tungsten
  • the power module 1 comprises a second electrical output Vnaii, carried by the substrate 10 and connected to a current sensor, for example a Hall effect. This current sensor measures the phase current delivered to the motor.
  • power module 1 is in this example a bridge arm of an inverter integrating current measurement.
  • Figure 2 represents an electronic power module 1 according to a second embodiment.
  • This second embodiment differs from the first embodiment essentially in the constitution of the covers 15-15b.
  • the covers 15-15b each include a layer of metal 153 rather than a ceramic substrate.
  • they further comprise an electrically insulating layer 154 disposed on the exterior face of the metal layer 153.
  • the insulating layers 154 limit partial discharges between the metal layers 153 of the covers 15a-15b and neighboring conductive parts, for example those of the motor in which the power module 1 is integrated. They are for example made of AIN and have a thickness of 100 ⁇ m.
  • the metal layer 153 of the first cover 15a and the metal layer 153 of the second cover 15b respectively carry the positive supply voltage V+ and the negative supply voltage V-.
  • the insulating layer 154 completely covers the exterior face of the metal layer 153, with the exception of a portion necessary for making electrical contact.
  • the control signal G1 of the transistor 11 a is here routed by a conductive track 13 arranged on the substrate 10 and separated from the substrate 10 by a first dielectric layer 18.
  • the control signal G2 of the transistor 11 b is here routed by a conductive track 13 placed on the face interior of the second cover 15b and separated from the metal layer 153 of this same cover by a second dielectric layer 18.
  • the annular seals 16a-16b are separated from the substrate 10 and the covers 15a-15b by other dielectric layers 18 .
  • the metal layers 153, the substrate 10 and the annular seals 16a-16b thus form a structure similar to a Faraday cage, which protects the electronic components from electromagnetic fields and electrostatic discharges.
  • each stage of components can comprise several (two or more) electronic power components (preferably of transistor, diode or thyristor type) connected in parallel or series.
  • Figures 4A to 4E schematically represent steps S1 to S5 of a manufacturing process for the power module 1.
  • the first step S1 of this manufacturing process consists of providing the substrate 10 and the covers 15a-15b, in anticipation of the transfer of the power electronic components (step S2 and S3; Figs.4B -4C) and their assembly by sintering (steps S4 and S5; Figs.4D-4E).
  • the manufacturing process may further comprise the formation of one or more conductive tracks 13 on each of the faces 10a-10b of the substrate 10 and the deposition of one or more dielectric layers 18, on one or both faces 10a -10b.
  • the supply of the first cover 15a or the second cover 15b may include, in the case of the power module 1 according to the first embodiment (see Figs. 1 & 4A), the following operations: the supply of a ceramic substrate 151; and the formation of one or more conductive elements 152 (or inserts) in the ceramic substrate 151, for example by creating cavities and filling them with metal.
  • the manufacturing process can then include the formation of one or more conductive tracks 13 on the interior face of the cover 15a, 15b, and the deposition of one or more dielectric layers 18 on this same interior face.
  • the conductive tracks 13 are for example formed by screen printing, drying and annealing of a silver paste, such as that marketed by the company DupontTM under the reference AS300.
  • the dielectric layers 18 can also be formed in this way, using a dielectric paste such as that sold by the company DupontTM under the reference AS100.
  • Silver paste sometimes called “ink”, comprises silver particles dispersed in a matrix preferably comprising a metal oxide, for example aluminum oxide (AI2O3).
  • a metal oxide for example aluminum oxide (AI2O3).
  • the annealing of the silver paste is carried out at a temperature greater than or equal to 570° C. (rather than 450° C. according to the manufacturer's recommendations for AS300 paste).
  • the phase diagram in Figure 5 shows that at 567°C and above, annealing forms an aluminum-silver eutectic alloy, rather than an intermetallic alloy (between 425°C and 567°C).
  • the strength of the eutectic alloy is four times greater than that of the intermetallic alloy while being more stable over time, at least in tearing.
  • annealing at such a temperature breaks the aluminum oxide barrier layer. It is therefore not necessary to carry out a deoxidation step beforehand.
  • the duration of the annealing is preferably between 30 min and 300 min.
  • Step S2 of Figure 4B comprises: fixing the first component 11a on the interior face of the first cover 15a, and more particularly on a conductive track 13; depositing a first sintering material on the first cover 15a so as to form a first annular bead (or ribbon) 20a around the first component 11a or its location; and drying the first sintering material, for example for 40 min at 150°C.
  • the first annular bead 20a can be formed on a peripheral edge of the first cover 15a.
  • Fixing the first component 11a preferably comprises the formation of a first layer 21a of a second sintering material on the first cover 15a, the deposition of the first component 11a on the first layer 21a and drying of the second sintering material of the first layer 21 a.
  • the first component 11a will thus be connected to the first cover 15a by a joint of sintered material rather than by welding or brazing.
  • Step S2 can also include the formation of a second layer 22a consisting of the second sintering material on the first component 11a, to subsequently connect the first component 11a to the substrate 10 by a joint of sintered material.
  • the second layer 22a of second sintering material is deposited on the substrate 10.
  • the sintering materials are in the form of a paste comprising metallic particles, preferably silver, and one or more organic elements intended to give cohesion to the paste and allow its application by screen printing (binder ) and/or to separate the particles and prevent them from sintering before desired (dispersant). These organic elements are largely eliminated during the drying operation.
  • the sintering paste may also include additives to accelerate the (subsequent) sintering of the particles.
  • step S3 of Figure 4C comprises the fixing of the second component 11 b on the interior face of the second cover 15b (and more particularly on a conductive track 13), the deposition of the first sintering material on the second cover 15b so as to form a second annular bead 20b around the second component 11 b (or its location) and the drying of the first sintering material.
  • the second annular cord 20b is for example formed on a peripheral edge of the second cover 15b.
  • Fixing the second component 11 b preferably comprises the formation of a third layer 21 b consisting of the second sintering material on the second cover 15b, the deposition of the second component 11 b on the third layer 21 b and drying of the second sintering material of the third layer 21 b.
  • Step S3 can also include the formation of a fourth layer 22b of second sintering material on the second component 11b, to subsequently connect the second component 11b to the substrate 10 by a joint of sintered material.
  • the fourth layer 22b of second sintering material is deposited on the substrate 10.
  • any other power electronic components belonging to the same stage of components are preferably fixed to the second cover 15b in the same way as the second component 11a.
  • an Ar/H2 plasma treatment can be carried out in order to clean the substrate of any organic pollution, to deoxidize it, to texture it with an arithmetic average roughness (denoted Ra) sought between 0.2 and 0.8 and activate the surface before sintering. Furthermore, drying of the first sintering material and drying of the second sintering material can be accomplished at the same time.
  • the second sintering material used to fix the components to the cover 15a, 15b or to the substrate 10 is identical to the first sintering material used to form the annular beads 20a-20b.
  • the manufacturing process is then particularly simple to implement.
  • the first annular cord 20a is advantageously deposited at the same time as the first layer 21a or the second layer 22a.
  • the second annular bead 20b is advantageously deposited at the same time as the third layer 22a or the fourth layer 22b.
  • the first cover 15a is transferred to the first face 10a of the substrate 10 and the second cover 15b is transferred to the second face 10b of the substrate 10.
  • the annular beads 20a- 20b are arranged in contact with the substrate 10.
  • the transfers are for example produced using “flip-chip” type equipment commonly used in the microelectronics industry.
  • the covers 15a-15b are positioned relative to the substrate 10 such that the annular cords 20a-20b are located opposite each other. This arrangement tends to reduce mechanical constraints.
  • step S5 of Figure 4E consists of sintering the first sintering material to transform the annular beads 20a-20b into seals 16a-16b.
  • the second sintering material is sintered simultaneously, forming the conductive joints 14 between the components 11 a-11d and the substrate 10 and between the components 11 a-11d and the covers 15a-15b.
  • Sintering can be carried out under partial vacuum or in air (no oxidation of the silver conductive tracks). Air can be used to remove (calcinate) the remaining organic elements in the sinter paste(s).
  • Sintering can be carried out under pressure, using a heating press, according to predetermined temperature and pressure profiles, for example according to the process described in international application WO2022/200749A2.
  • the heating press preferably comprises a heating arm and a support, on which the substrate-components-covers assembly is arranged.
  • the sintering step S5 comprises the following phases: a first so-called creep phase, during which the support and the arm are brought to a creep temperature of between 165°C and 175°C and are maintained at this temperature for a period of between 30 s and 60 s, and during which a constant pressure of between 0.5 MPa and 1 MPa is applied for a period of between 15 s and 30 s after a rise of approximately 40 s ; a second phase called sintering lasting between 60 s and 400 s, during which the temperatures of the arm and the support are maintained constants between 205 °C and 255 °C and a pressure between 10 MPa and 30 MPa is applied; a third phase called consolidation and cooling, during which the temperature decreases (for example until returning to ambient temperature) while maintaining the pressure applied during the second phase.
  • a first so-called creep phase during which the support and the arm are brought to a creep temperature of between 165°C and 175°C and are maintained at this temperature for a period of between 30 s
  • the duration of the third phase is for example between 1 minute and 10 minutes.
  • sintering is carried out without pressure, for example according to the process described in application WO2017/046266A1.
  • steps S2 and S3 are so-called “2D” assembly steps which can be carried out on panels, in parallel with the one from the other (in other words simultaneously), unlike the step S4 of transferring the covers 1 Sa15b and the sintering step S5 (“3D” assembly steps).
  • steps of forming the conductive tracks 13 and the dielectric layers 18 on the substrate 10 and the covers 15a-15b can be carried out in parallel.

Landscapes

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Abstract

L'invention concerne un module électronique de puissance (1) comprenant : - un substrat (10); - un premier composant électronique de puissance (11a) disposé sur une première face (10a) du substrat (10); - un premier capot (15a) délimitant avec le substrat une première cavité (17a) dans laquelle est logé le premier composant électronique de puissance (11a); - un deuxième composant électronique de puissance (11b) disposé sur une deuxième face (10b) du substrat (10); et - un deuxième capot (15b) délimitant avec le substrat une deuxième cavité (17b) dans laquelle est logé le deuxième composant électronique de puissance (11b); - un premier joint d'étanchéité annulaire (16a) fermant la première cavité (17a) de manière étanche; - un deuxième joint d'étanchéité annulaire (16b) fermant la deuxième cavité (17b) de manière étanche; dans lequel les premier et deuxième joints d'étanchéité annulaires (16a, 16b) sont formés d'un matériau fritté et dans lequel les première et deuxième cavités (17a, 17b) renferment un gaz ou un mélange de gaz.

Description

DESCRIPTION
TITRE : MODULE ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE MULTI-ÉTAGES ET HERMÉTIQUE
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
[0001 ] Le domaine technique de l’invention est celui des modules électroniques de puissance.
[0002] La présente invention concerne plus particulièrement un module électronique de puissance comprenant plusieurs composants électroniques de puissance répartis sur plusieurs niveaux ou étages.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
[0003] Les modules électroniques de puissance permettent la mise en œuvre de fonctions de base telles que la commutation, le redressement, la division de tension...
[0004] Un module de puissance dit « 2D » ou « à étage unique » comprend généralement un ou plusieurs composants électroniques de puissance brasés sur un substrat céramique doté de pistes métalliques. Le substrat céramique est fixé sur une semelle en cuivre qui sert de support mécanique et transfère la chaleur générée par les composants vers un dispositif de refroidissement, typiquement un dissipateur thermique. Les connexions électriques à l’intérieur du module de puissance, entre les composants et les pistes métalliques du substrat, sont en partie assurées par des fils de liaison (fils dits de bonding). Les composants sont enfermés dans un boîtier rempli d’un matériau d’encapsulation.
[0005] Le matériau d’encapsulation a pour but d’assurer la tenue diélectrique du module de puissance et de protéger les composants des agressions externes (humidité, contamination...). De plus, il renforce l’isolation électrique entre les conducteurs et améliore la tenue aux décharges partielles dues notamment aux défauts des métallisations du substrat céramique.
[0006] Les composants électroniques de puissance peuvent être des transistors, des thyristors et des diodes. Ces composants sont formés à partir d’un matériau semiconducteur. Les matériaux semiconducteurs à large bande interdite (dits à grand gap), tels que le nitrure de gallium (GaN), l’arséniure de gallium (GaAs), le carbure de silicium (SiC) et le diamant, tendent à remplacer le silicium, du fait de leurs meilleures performances en termes de densité de courant, de fréquence de fonctionnement et de tenue en tension.
[0007] Il existe aussi des modules électroniques de puissance dits « 3D » ou « multi-étages » comprenant plusieurs composants électroniques répartis sur différents niveaux (aussi appelés « étages »). Les composants électroniques sont typiquement disposés de part et d’autre d’un substrat, voire entre plusieurs substrats empilés.
[0008] Le fonctionnement d’un module électronique de puissance (à étage unique ou multi-étages) génère des cycles de température pouvant être relativement sévères. Ces cycles de température produisent d’importantes contraintes mécaniques dans le(s) substrat(s) et au niveau des interfaces entre les composants électroniques et le(s) substrat(s). Ces contraintes mécaniques sont à l'origine de multiples modes de défaillance du module électrique de puissance.
[0009] Le document W02019/101634A1 décrit un module électronique de puissance multi-étages conçu pour diminuer le risque de défaillance. Ce module électronique de puissance comprend des supports métalliques et des composants électroniques de puissance disposés sur ou entre les supports métalliques. Les supports métalliques sont assemblés entre eux de sorte que le module électronique de puissance présente une forme extérieure générale tubulaire de section circulaire. Les supports ont une section en forme de T, de F ou d’un angle droit.
[0010] Les supports métalliques, dans lesquels circulent les courants électriques de puissance en provenance ou à destination des composants électroniques, permettent une dissipation efficace de la chaleur, par conduction, convexion et radiation simultanément. Les supports métalliques constituent un substrat dépourvu de couche céramique susceptible d’être fragilisée par les cycles thermiques.
[0011] Le module électrique de puissance comprend en outre un capot étanche, fabriqué en matière plastique, de forme tubulaire. Ce capot est fixé à une partie des supports métalliques. Les supports métalliques et le capot définissent ensemble un canal intérieur, dans lequel circule un fluide de refroidissement, par exemple un gaz ou un liquide caloporteur. La circulation du fluide de refroidissement dans le canal intérieur permet de refroidir le module. Le fluide de refroidissement assure en outre une isolation électrique du module. [0012] Le module électronique de puissance décrit par le document W02019/101634A1 est cependant difficile à intégrer dans un actionneur électromécanique, tel qu’un moteur électrique, à cause de la circulation du fluide de refroidissement.
RESUME DE L’INVENTION
[0013] Il existe donc un besoin de prévoir un module électronique de puissance multi-étages qui présente de bonnes performances en matière d’isolation électrique et qui est facile à intégrer.
[0014] Selon un premier aspect de l’invention, on tend à satisfaire ce besoin en prévoyant un module électronique de puissance comprenant : un substrat présentant une première face et une deuxième face opposée à la première face ; un premier composant électronique de puissance disposé sur la première face du substrat ; un premier capot disposé sur la première face du substrat et délimitant avec le substrat une première cavité dans laquelle est logé le premier composant électronique de puissance ; un deuxième composant électronique de puissance disposé sur la deuxième face du substrat ; un deuxième capot disposé sur la deuxième face du substrat et délimitant avec le substrat une deuxième cavité dans laquelle est logé le deuxième composant électronique de puissance. un premier joint d’étanchéité annulaire disposé entre le substrat et le premier capot, le premier joint d’étanchéité annulaire fermant la première cavité de manière étanche ; et un deuxième joint d’étanchéité annulaire disposé entre le substrat et le deuxième capot, le deuxième joint d’étanchéité annulaire fermant la deuxième cavité de manière étanche.
[0015] Les premier et deuxième joints d’étanchéité annulaires sont formés d’un matériau fritté, de préférence à base d’argent, et les première et deuxième cavités renferment un gaz ou un mélange de gaz. [0016] Le gaz (ou le mélange de gaz) contenu dans les première et deuxième cavités étanches assure un haut degré d’isolation électrique entre les éléments intérieurs du module électronique de puissance. Le module de puissance est ainsi dépourvu de matériau d’encapsulation (généralement un matériau polymère), qui a tendance à se dégrader au fil des décharges partielles dans le module 2D de l’art antérieur (notamment dans la zone dite de point triple, entre le substrat céramique, la piste métallique portant le courant électrique et le matériau d’encapsulation).
[0017] L’intégration du module électronique de puissance, par exemple dans un actionneur électromécanique, est en outre facilité, car celui-ci ne requiert aucune circulation de fluide. Au contraire, le gaz d’isolation électrique est ici enfermé. Par ailleurs, le frittage est une technique permettant de former facilement les joints d’étanchéité annulaires qui scellent les capots sur le substrat et ferment les cavités.
[0018] Dans un premier mode de réalisation du module électronique de puissance, le premier capot comprend : un premier substrat formé d’un premier matériau céramique électriquement isolant ; et au moins un premier élément conducteur traversant le premier substrat et relié électriquement au premier composant électronique de puissance ; et le deuxième capot comprend : un deuxième substrat formé d’un deuxième matériau céramique électriquement isolant ; et au moins un deuxième élément conducteur traversant le deuxième substrat et relié électriquement au deuxième composant électronique de puissance.
[0019] Selon un développement de ce premier mode de réalisation, les premier et deuxième substrats sont en nitrure d’aluminium.
[0020] Dans un deuxième mode de réalisation, les premier et deuxième capots comprennent chacun une couche de métal et une couche électriquement isolante disposée sur une face extérieure de la couche de métal.
[0021] Le module électronique de puissance peut comprendre en outre : un troisième composant électronique de puissance disposé sur la première face du substrat et logé dans la première cavité ; et un quatrième composant électronique de puissance disposé sur la deuxième face du substrat et logé dans la deuxième cavité.
[0022] Par exemple, le premier composant électronique de puissance est connecté en parallèle du troisième composant électronique de puissance, le deuxième composant électronique de puissance est connecté en parallèle du quatrième composant électronique de puissance, le premier composant électronique de puissance est un transistor, le deuxième composant électronique de puissance est un transistor, le troisième composant électronique de puissance est une diode et le quatrième composant électronique de puissance est une diode.
[0023] Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans les paragraphes précédents, le module électronique de puissance selon le premier aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : le substrat est en métal ; le premier composant électronique de puissance comprend une première borne reliée électriquement au substrat et une deuxième borne reliée électriquement à une portion conductrice du premier capot ; le deuxième composant électronique de puissance comprend une première borne reliée électriquement au substrat et une deuxième borne reliée électriquement à une portion conductrice du deuxième capot ; chacun des premier et deuxième composants électroniques de puissance est relié électriquement au substrat par l’intermédiaire d’une piste conductrice et d’un joint conducteur formé du matériau fritté ; le premier composant électronique de puissance est relié électriquement à la portion conductrice du premier capot par l’intermédiaire d’une piste conductrice et d’un joint conducteur formé du matériau fritté ; et le deuxième composant électronique de puissance est relié électriquement à la portion conductrice du deuxième capot par l’intermédiaire d’une piste conductrice et d’un joint conducteur formé du matériau fritté.
[0024] Un deuxième aspect de l’invention concerne un actionneur électromécanique comprenant au moins un module électronique de puissance selon le premier aspect de l’invention.
[0025] L’actionneur électromécanique comprend de préférence un moteur triphasé et un circuit de pilotage et d’alimentation du moteur triphasé, le circuit de pilotage et d’alimentation du moteur triphasé comprenant une pluralité de modules électroniques de puissance selon le premier aspect de l’invention pour générer des courants de phase du moteur triphasé.
[0026] Chaque module électronique de puissance est avantageusement disposé en regard d’une tête de bobine du moteur triphasé.
[0027] Un troisième aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’un module électronique de puissance, comprenant les étapes suivantes : fournir un substrat, un premier capot et un deuxième capot ; fixer un premier composant électronique de puissance sur le premier capot ; déposer un matériau de frittage sur le premier capot de manière à former un premier cordon autour du premier composant électronique de puissance ; fixer un deuxième composant électronique de puissance sur le deuxième capot ; déposer le matériau de frittage sur le deuxième capot de manière à former un deuxième cordon autour du deuxième composant électronique de puissance ; reporter le premier capot sur une première face du substrat et le deuxième capot sur une deuxième face opposée du substrat, en disposant les premier et deuxième cordons en matériau de frittage en contact avec le substrat ; et fritter le matériau de frittage pour former des premiers et deuxième joints d’étanchéité annulaires, le premier joint d’étanchéité annulaire fermant de manière étanche une première cavité délimitée par le premier capot et le substrat et le deuxième joint d’étanchéité annulaire fermant de manière étanche une deuxième cavité délimitée par le deuxième capot et le substrat, les première et deuxième cavités renfermant un gaz ou un mélange de gaz.
[0028] De préférence, le substrat est en aluminium et le procédé comprend en outre, avant l’étape de report des capots, une étape de formation de pistes conductrices à base d’argent sur la première face et la deuxième face du substrat, l’étape de formation des pistes conductrices à base d’argent comprenant les opérations suivantes : dépôt par sérigraphie d’une pâte comprenant des particules d’argent ; séchage de pâte ; et recuit de la pâte à une température supérieure ou égale à 570 °C.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0029] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : la figure 1 est une vue en coupe schématique d’un module électronique de puissance selon un premier mode de réalisation ; la figure 2 est une vue en coupe schématique d’un module électronique de puissance selon un deuxième mode de réalisation ; la figure 3 est une vue partielle en perspective d’un moteur triphasé dans lequel sont intégrés plusieurs modules électroniques de puissance ; et les figures 4A à 4E représentent schématiquement des étapes d’un procédé de fabrication du module électronique de puissance ; et la figure 5 représente un diagramme de phase aluminium-argent.
[0030] Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures.
DESCRIPTION DETAILLEE
[0031] La figure 1 représente schématiquement un module électronique de puissance 1 selon un premier mode de réalisation. Le module électronique de puissance 1 peut avoir pour fonction de convertir une tension alternative en tension continue (fonction d’un redresseur), convertir une tension continue en tension alternative (onduleur), modifier la valeur efficace d'une tension alternative (gradateur), modifier la valeur moyenne d'une tension continue (hacheur) ou modifier la fréquence d'une tension alternative (cycloconvertisseur) ou dissiper un courant (résistance active).
[0032] Le module de puissance 1 comprend un substrat 10 et au moins deux composants électronique de puissance : un premier composant 11 a disposé sur une première face 10a du substrat 10 et un deuxième composant 11 b disposé sur une deuxième face 10b du substrat 10, opposée à la première face 10a.
[0033] Ainsi, le module de puissance 1 comprend deux étages de composant, un premier étage comprenant (au moins) le premier composant 11 a et un deuxième étage comprenant (au moins) le deuxième composant 11 b.
[0034] Le substrat 10 est de préférence métallique. Il peut être formé d’une seule couche métallique, par exemple en aluminium ou en cuivre, ou de plusieurs couches métalliques empilées et formées de métaux différents. Il présente par exemple la forme d’une plaque rectangulaire. Son épaisseur est de préférence comprise entre 0,2 mm et 2 mm. Il peut présenter des évidements, des bossages (de préférence avec un rapport largeur sur hauteur compris entre 1 et 3) et des surépaisseurs, autrement dit être texturé. Ainsi, ses faces 10a-10b ne sont pas nécessairement planes, comme cela est représenté schématiquement sur la figure 1 . Elles peuvent en outre être rugueuses et/ou poreuses.
[0035] Le substrat 10 forme avantageusement un conducteur de puissance qui porte une ou plusieurs sorties électriques du module de puissance 1 . Il est capable de conduire un courant électrique élevé, typiquement supérieur à 20 A.
[0036] Un ou plusieurs conducteurs supplémentaires 12 peuvent être fixés au substrat 10, afin de faciliter la connexion du module de puissance 1 à un ou plusieurs dispositifs électriques (un moteur électrique et un capteur de courant dans l’exemple ci-après). Par exemple, le module de puissance 1 de la figure 1 comprend deux conducteurs supplémentaires 12 fixés sur deux faces latérales opposées du substrat 10. Ces conducteurs supplémentaires 12 constituent alors des bornes de sortie du module de puissance 1. Chaque conducteur supplémentaire 12 s’étend de préférence perpendiculairement au substrat 10.
[0037] Le substrat 10 sert ainsi de pont électrique (ou point commun) entre les deux étages de composant. Lors du fonctionnement du module de puissance 1 , la température au niveau du substrat 10 est sensiblement constante grâce au fait qu’il soit entièrement métallique. Les variations brusques de température appelées transitoires sont supprimées, ce qui a pour effet de diminuer le bruit (thermique) sur la ou les sorties électriques du module de puissance 1 et d’améliorer la fiabilité d’un point de vue des contraintes thermomécaniques.
[0038] Le substrat 10 est avantageusement recouvert, sur chacune de ses faces 10a-10b, d’une ou plusieurs pistes électriquement conductrices 13 communément appelées finitions. Ces pistes conductrices 13 sont de préférence constituées d’un matériau conducteur à base d’argent, qui a l’avantage d’être inoxydable.
[0039] Les premier et deuxième composants 11 a-11 b sont chacun relié électriquement au substrat 10, de préférence par l’intermédiaire d’une des pistes conductrices 13 et d’un joint conducteur 14 formé de matériau fritté. Le joint conducteur 14 est disposée sur la piste conductrice 13.
[0040] Le matériau fritté des joints conducteurs 14 est avantageusement à base d’argent ou de cuivre. En particulier, un joint conducteur 14 à base d’argent et une piste conductrice 13 à base du même métal forment une connexion électrique et mécanique de hautes performances, notamment en termes de résistance et de conductivités électrique et thermique. Ce type de connexion supporte notamment des températures de fonctionnement élevées, fréquentes dans les modules électroniques de puissance.
[0041] Alternativement, les joint conducteurs 14 à base d’argent ou de cuivre sont formés sur des pistes conductrices ou finitions de type ENIG (« Electroless nickel immersion gold ») ou ENEPIG (« Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold »).
[0042] Le module de puissance 1 comprend en outre : un premier capot 15a disposé sur la première face 10a du substrat 10 ; un deuxième capot 15b disposé sur la deuxième face du substrat 10 ; un premier joint d’étanchéité annulaire 16a disposé entre le substrat 10 et le premier capot 15a ; et un deuxième joint d’étanchéité annulaire 16b disposé entre le substrat 10 et le deuxième capot 15b.
[0043] Le premier capot 15a délimite avec le substrat 10 une première cavité 17a dans laquelle est logé le premier composant 11 a, alors que le deuxième capot 15b délimite avec le substrat 10 une deuxième cavité 17b dans laquelle est logé le deuxième composant 11 b.
[0044] De préférence, le premier composant 11 a est relié électriquement au premier capot 15a et le deuxième composant 11 b est relié électriquement au deuxième capot 15b. Les composants 11 a-11 b sont avantageusement reliés aux capots 15a-15b de la même manière qu’au substrat 10, par l’intermédiaire de pistes conductrices 13 (ici disposées sur les faces intérieures des capots 15a-15b) et de joints conducteurs 14.
[0045] Le premier joint d’étanchéité annulaire 16a et le deuxième joint d’étanchéité annulaire 16b ferment respectivement la première cavité 17a et la deuxième cavité 17b de manière étanche. Ils sont formés d’un matériau fritté, de préférence à base d’argent. Ce matériau fritté est avantageusement le même que celui des joints conducteurs 14. Utiliser le même matériau fritté pour former les joints conducteurs 14 et les joints d’étanchéité annulaires 16a-16b simplifie grandement la fabrication du module de puissance 1 .
[0046] Afin de diminuer les risques de décollement des capots 15a-15b, chaque joint d’étanchéité annulaire 16a, 16b est avantageusement disposé en contact d’une piste conductrice 13 disposée sur le substrat 10.
[0047] Le substrat 10 s’étend au-delà des joints d’étanchéité annulaires 16a-16b pour pouvoir réaliser la connexion électrique du module de puissance 1 (directement ou par l’intermédiaire des conducteurs supplémentaires 12).
[0048] Les cavités 17a-17b renferment un gaz, de préférence un gaz neutre tel que l’argon, l’azote ou l’hélium. Alternativement, elles peuvent renfermer un mélange de gaz, par exemple de l’air. La pression du gaz (ou du mélange de gaz) peut être la pression atmosphérique (au moment où les cavités 17a-17b sont scellées) ou une pression bien plus faible, typiquement inférieure à 133,3x10’3 Pa (soit 10’3 Torr), de sorte à obtenir une configuration de vide primaire. La pression du gaz est avantageusement comprise entre 133,3x1 O’6 Pa (10-6 Torr) et 133,3x1 O’7 Pa (10-7 Torr), soit une configuration de vide secondaire, pour éviter les décharges partielles pouvant apparaître en vide primaire. Les cavités 17a-17b ne contiennent pas de vapeur d’eau.
[0049] Le gaz contenu dans les cavités 17a-17b assure l’isolation électrique entre les éléments intérieurs du module de puissance 1. Les joints d’étanchéité annulaires 16a-16b empêchent notamment l’humidité de pénétrer dans les cavités 17a-17b, ce qui pourrait provoquer des décharges partielles. Cela contribue à augmenter la fiabilité des composants et de leurs connexions électriques. En outre, l’isolation électrique du module électronique de puissance 1 est indépendante du refroidissement et ne requiert pas la mise en circulation d’un fluide comme dans le module de l’art antérieur, ce qui facilite son intégration.
[0050] Les joints d’étanchéité annulaires 16a-16b permettent d’obtenir une résistance thermique jonction-boîtier RJC inférieure à 0,3°C/W. Ils permettent également d’obtenir un module plus compact que ceux de l’art antérieur avec un matériau d’encapsulation (ou d’enrobage).
[0051] A l’instar du substrat 10, les capots 15a-15b ont de préférence une forme générale parallélépipédique. Chacun des capots 15a-15b présente avantageusement une épaisseur comprise entre 0,2 mm et 2 mm. Ainsi, le module de puissance 1 est peu encombrant, contrairement au module de puissance de l’art antérieur dont les supports métalliques ont des angles droits.
[0052] L’épaisseur des capots 15a-15b peut être constante ou sensiblement constante (variation d’épaisseur inférieure à 100 pm). L’un ou les deux capots 15a- 15b peuvent alternativement présenter un rebord périphérique, qui s’étend en direction du substrat 10, afin d’augmenter le volume de la première cavité 17a et/ou de la deuxième cavité 17b (notamment selon l’épaisseur des composants qu’elles renferment).
[0053] De préférence, les capots 15a et 15b sont fabriqués en utilisant le ou les mêmes matériaux et présentent des dimensions identiques, rendant le module de puissance 1 globalement symétrique par rapport au substrat 10. Cette symétrie réduit les contraintes mécaniques au sein du module de puissance 1 , notamment les contraintes en flexion (en localisant le plan neutre du module dans le substrat 10).
[0054] Les premier et deuxième composants 11 a-11 b sont de préférence des composants actifs, par exemple de type transistor, diode ou thyristor. Ils comprennent au moins deux bornes ou électrodes (non représentées sur la figure). Avantageusement, les premières bornes des premier et deuxième composants 11 a- 11 b sont reliées électriquement au substrat 10, la deuxième borne du premier composant 11 a est reliée électriquement à une portion conductrice du premier capot 15a et la deuxième borne du deuxième composant 11 b est reliée électriquement à une portion conductrice du deuxième capot 15b. Ainsi, les capots sont fonctionnalisés au sens où ils servent à faire transiter des signaux électriques entre l’extérieur et l’intérieur du module de puissance 1 .
[0055] Le raccordement électrique du module électronique de puissance 1 s’effectue avantageusement sur les faces extérieures des capots 15a-15b et à l’une au moins des extrémités du substrat 10 central, ce qui facilite encore davantage son intégration, notamment dans des dispositifs électriques où l’espace disponible est restreint. Les faces extérieures des capots 15a-15b sont de préférence planes ou sensiblement planes (variation d’épaisseur inférieure à 100 pm).
[0056] Dans ce premier mode de réalisation, les capots 15a-15b comprennent chacun un substrat 151 en un matériau céramique électriquement isolant et un ou plusieurs éléments électriquement conducteurs 152 traversant le substrat 151. Les éléments conducteurs 152, aussi appelés inserts, sont hermétiques, c’est-à-dire qu’ils empêchent tout échange de fluide (tel que la vapeur d’eau) entre l’extérieur et l’intérieur du module de puissance 1. Ils servent à conduire des courants électriques entre l’extérieur et l’intérieur du module, à destination ou en provenance des composants électroniques de puissance.
[0057] Ainsi, au moins un élément conducteur 152 du premier capot 15a est relié électriquement à la deuxième borne du premier composant 11 a et au moins un élément conducteur 152 du deuxième capot 15b est relié électriquement à la deuxième borne du deuxième composant 11 b. Les composants 11a-11 b sont avantageusement reliés aux éléments conducteurs 152 des capots 15a-15b de la même manière qu’au substrat 10, par l’intermédiaire de pistes conductrices 13 (ici disposées sur les faces intérieures des capots 15a-15b) et de joints conducteurs 14.
[0058] Les éléments conducteurs 152 peuvent également servir à dissiper la chaleur générée par les composants 11 a-11 b (éléments conducteurs électriquement et thermiquement).
[0059] Les éléments conducteurs 152 peuvent notamment être des via ou des dissipateurs thermiques. Ils sont de préférence formés d’un ou plusieurs métaux, par exemple choisis parmi le cuivre, l’aluminium, le tungstène, l’or, le titane, l’argent, le palladium et leurs alliages.
[0060] Les substrats 151 des capots 15a-15b sont de préférence formés d’un même matériau céramique, par exemple du nitrure d’aluminium (AIN), de l’oxyde d’aluminium (AI2O3), du carbure de silicium (SiC), de l’aluminium-carbure de silicium (AlSiC) ou du nitrure de silicium (SisN4). Le nitrure d’aluminium est particulièrement avantageux, car il présente une conductivité thermique élevée, une forte résistivité électrique et peut intégrer facilement des inserts hermétiques. Comparativement aux métaux, il présente en outre un coefficient de dilatation thermique plus proche de celui des matériaux semi-conducteurs constituant la base des composants 11 a-11 b. Des capots 15a-15b comprenant du nitrure d’aluminium présentent donc l’avantage de réduire considérablement les contraintes thermomécaniques au sein du module de puissance 1 .
[0061] Comme cela est représenté par la figure 1 , le module de puissance 1 peut comprendre plus de deux composants électroniques de puissance, par exemple deux par étage, soit quatre au total.
[0062] Le module de puissance 1 peut ainsi comprendre : un troisième composant 11c disposé sur la première face 10a du substrat 10 et logé dans la première cavité 17a ; un quatrième composant 11 d disposé sur la deuxième face 10b du substrat 10 et logé dans la deuxième cavité 17b.
[0063] A l’instar des premier et deuxième composants 11 a-11 b, chacun des troisième et quatrième composants 11 c-11d est relié au substrat 10 et à au moins un élément conducteur 152 des capots 15a-15b, de préférence par l’intermédiaire d’une piste conductrice 13 et d’un joint conducteur 14 en matériau fritté.
[0064] Le module électronique de puissance 1 peut être (aisément) intégré à un actionneur électromécanique. A titre d’exemple, l’actionneur électromécanique comprend un moteur triphasé et un circuit d’alimentation et de pilotage du moteur triphasé. Ce circuit électrique comprend une pluralité de modules de puissance 1 , de préférence autant de modules de puissance 1 que le moteur triphasé comprend d’inductances ou bobines. Chaque module de puissance 1 sert à alimenter le moteur, en générant l’un des courants de phase du moteur.
[0065] La figure 3 représente une partie du moteur triphasé 40. Seules trois bobines sont représentées et l’arbre du moteur a été volontairement omis. Les modules de puissance 1 sont avantageusement disposés à l’intérieur du moteur 40, de préférence en regard des têtes de bobine 41 du moteur 40 (un module par bobine).
[0066] Dans cet exemple d’application, le module de puissance 1 est dans une configuration à quatre composants. Les composants 11 a-11d sont reliés en eux de manière à former un bras de pont d’un montage onduleur. Le premier composant 11a est un transistor (de préférence un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde, ou MOSFET, ou un transistor bipolaire à grille isolée, ou IGBT), le deuxième composant 11 b est un transistor (de préférence un MOSFET ou IGBT), le troisième composant 11c est une diode et le quatrième composant 11d est une diode.
[0067] De nouveau en référence à la figure 1 , le premier composant 11 a (transistor) et le troisième composant 11c (diode) sont connectés en parallèle, entre une tension d’alimentation positive V+, portée par un élément conducteur 152 du premier capot 15a (par exemple un dissipateur thermique en alliage cuivre-tungstène), et une première sortie électrique Vs du module de puissance 1 , portée par le substrat 10. Le deuxième composant 11 b (transistor) et le quatrième composant 11d (diode) sont connectés en parallèle, entre une tension d’alimentation négative V-, portée par un élément conducteur 152 du deuxième capot 15b (par exemple un dissipateur thermique en alliage cuivre-tungstène), et la sortie électrique Vs du module de puissance 1 .
[0068] Un premier signal de commande G1 est acheminé jusqu’à l’électrode de grille du transistor 11 a, ici par l’intermédiaire d’un via 152 (par exemple en tungstène) traversant le premier capot 15a, d’un joint conducteur 14 de matériau fritté et d’une piste conductrice 13 disposée sur la première face 10a du substrat 10 mais isolée électriquement de celui-ci par une première couche diélectrique 18.
[0069] De manière similaire, un deuxième signal de commande G2 est acheminé jusqu’à l’électrode de grille du transistor 11 b, ici par l’intermédiaire d’un via 152 (par exemple en tungstène) traversant le deuxième capot 15b et d’une piste conductrice 13 disposée sur la face intérieure du deuxième capot 15b (éventuellement recouverte d’une deuxième couche diélectrique 18 pour renforcer l’isolation électrique).
[0070] Le module de puissance 1 comprend une deuxième sortie électrique Vnaii, portée par le substrat 10 et reliée à un capteur de courant, par exemple à effet Hall. Ce capteur de courant mesure le courant de phase délivré au moteur. Ainsi, le module de puissance 1 est dans cet exemple un bras de pont d’un onduleur intégrant une mesure du courant.
[0071] La figure 2 représente un module électronique de puissance 1 selon un deuxième mode de réalisation. Ce deuxième mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation essentiellement dans la constitution des capots 15-15b. Ici, les capots 15-15b comprennent chacun une couche de métal 153 plutôt qu’un substrat céramique. Avantageusement, ils comprennent en outre une couche électriquement isolante 154 disposée sur la face extérieure de la couche de métal 153. Les couches isolantes 154 limitent les décharges partielles entre les couches de métal 153 des capots 15a-15b et des pièces conductrices avoisinantes, par exemple celles du moteur dans lequel est intégré le module de puissance 1. Elles sont par exemple en AIN et ont une épaisseur de 100 pm.
[0072] La couche de métal 153 du premier capot 15a et la couche de métal 153 du deuxième capot 15b portent respectivement la tension d’alimentation positive V+ et la tension d’alimentation négative V-. La couche isolante 154 recouvre entièrement la face extérieure de la couche de métal 153, à l’exception d’une portion nécessaire à la prise de contact électrique. Le signal de commande G1 du transistor 11 a est ici acheminé par une piste conductrice 13 disposée sur le substrat 10 et séparée du substrat 10 par une première couche diélectrique 18. Le signal de commande G2 du transistor 11 b est ici acheminé par une piste conductrice 13 déposée sur la face intérieure du deuxième capot 15b et séparée de la couche de métal 153 de ce même capot par une deuxième couche diélectrique 18.
[0073] Pour éviter des courts-circuits entre le substrat 10 (métallique) et les capots 15a-15b, les joints d’étanchéité annulaires 16a-16b sont séparées du substrat 10 et des capots 15a-15b par d’autres couches diélectriques 18.
[0074] Les couches de métal 153, le substrat 10 et les joints d’étanchéité annulaires 16a-16b forment ainsi une structure semblable à une cage de Faraday, qui protège les composants électroniques des champs électromagnétiques et des décharges électrostatiques.
[0075] Le module de puissance 1 n’est pas limité aux modes de réalisations décrits en relation avec les figures 1 et 2. En particulier, chaque étage de composants peut comporter plusieurs (deux ou plus) composants électroniques de puissance (de préférence de type transistor, diode ou thyristor) connectés en parallèle ou en série.
[0076] Les figures 4A à 4E représentent schématiquement des étapes S1 à S5 d’un procédé de fabrication du module de puissance 1 .
[0077] La première étape S1 de ce procédé de fabrication, illustrée par la figure 4A, consiste à fournir le substrat 10 et les capots 15a-15b, en prévision du report des composants électroniques de puissance (étape S2 et S3 ; Figs.4B-4C) et de leur assemblage par frittage (étapes S4 et S5 ; Figs.4D-4E).
[0078] Le procédé de fabrication peut comprendre en outre la formation d’une ou plusieurs pistes conductrices 13 sur chacune des faces 10a-10b du substrat 10 et le dépôt d’une ou plusieurs couches diélectriques 18, sur une ou les deux faces 10a-10b.
[0079] La fourniture du premier capot 15a ou du deuxième capot 15b peut comprendre, dans le cas du module de puissance 1 selon le premier mode de réalisation (cf. Figs.1 & 4A), les opérations suivantes : la fourniture d’un substrat céramique 151 ; et la formation d’un ou plusieurs éléments conducteurs 152 (ou inserts) dans le substrat céramique 151 , par exemple en créant des cavités et en les remplissant de métal. [0080] Le procédé de fabrication peut comprendre ensuite la formation d’une ou plusieurs pistes conductrices 13 sur la face intérieure du capot 15a, 15b, et le dépôt d’une ou plusieurs couches diélectriques 18 sur cette même face intérieure.
[0081] Les pistes conductrices 13 sont par exemple formées par sérigraphie, séchage et recuit d’une pâte d’argent, telle que celle commercialisée par la société Dupont™ sous la référence AS300. Les couches diélectriques 18 peuvent également être formées de cette façon, en utilisant une pâte diélectrique telle que celle commercialisée par la société Dupont™ sous la référence AS100.
[0082] La pâte d’argent, parfois appelée « encre », comprend des particules d’argent dispersées dans une matrice comprenant de préférence un oxyde métallique, par exemple de l’oxyde d'aluminium (AI2O3).
[0083] Par défaut, la tenue de pistes conductrices 13 en argent sur un substrat 10 ou une couche de métal 153 (capots 15a-15b) en aluminium est mauvaise, en raison de la présence en surface d’une couche d’oxyde natif (AI2O3) qui forme une couche barrière. Pour y remédier, il est possible de dissoudre cette couche d’oxyde natif (et donc de désoxyder la surface) avant le dépôt de la pâte d’argent, par exemple en y déposant un zincate.
[0084] Dans un mode de mise en œuvre préférentiel du procédé de fabrication, le recuit de la pâte d’argent est réalisé à une température supérieure ou égale à 570 °C (plutôt qu’à 450 °C selon les recommandations du fabricant pour la pâte AS300). Le diagramme de phase de la figure 5 montre qu’à 567 °C et au-delà, le recuit forme un alliage eutectique d’aluminium-argent, plutôt qu’un alliage intermétallique (entre 425 °C et 567 °C). Or on estime que la tenue de l’alliage eutectique est quatre fois supérieure à celle de l’alliage intermétallique tout en étant plus stable dans le temps, au moins en arrachement. En outre, un recuit à une telle température casse la couche barrière en oxyde d’aluminium. Il n’est donc pas nécessaire d’accomplir une étape de désoxydation au préalable. La durée du recuit est de préférence comprise entre 30 min et 300 min.
[0085] L’étape S2 de la figure 4B comprend : la fixation du premier composant 11 a sur la face intérieure du premier capot 15a, et plus particulièrement sur une piste conductrice 13 ; le dépôt d’un premier matériau de frittage sur le premier capot 15a de manière à former un premier cordon (ou ruban) annulaire 20a autour du premier composant 11 a ou de son emplacement ; et le séchage du premier matériau de frittage, par exemple pendant 40 min à 150 °C.
[0086] Bien que représentées par la même figure, ces opérations sont réalisées successivement (la fixation du premier composant 11 a pouvant être accomplie avant ou après la formation du premier cordon annulaire 20a).
[0087] Comme représenté sur la figure 4B, le premier cordon annulaire 20a peut être formé sur un rebord périphérique du premier capot 15a.
[0088] La fixation du premier composant 11 a comprend de préférence la formation d’une première couche 21 a en un deuxième matériau de frittage sur le premier capot 15a, le dépôt du premier composant 11 a sur la première couche 21 a et le séchage du deuxième matériau de frittage de la première couche 21 a. Le premier composant 11 a sera ainsi être connecté au premier capot 15a par un joint de matériau fritté plutôt que par une soudure ou une brasure.
[0089] L’étape S2 peut également comprendre la formation d’une deuxième couche 22a constituée du deuxième matériau de frittage sur le premier composant 11a, pour connecter ultérieurement le premier composant 11 a au substrat 10 par un joint de matériau fritté. Alternativement, la deuxième couche 22a en deuxième matériau de frittage est déposée sur le substrat 10.
[0090] Les matériaux de frittage se présentent sous la forme d’une pâte comprenant des particules métalliques, de préférence en argent, et un ou plusieurs éléments organiques ayant pour but de donner une cohésion à la pâte et permettre son application par sérigraphie (liant) et/ou de séparer les particules et les empêcher de fritter avant qu’on ne le veuille (dispersant). Ces éléments organiques sont éliminés en grande partie lors de l’opération de séchage. La pâte de frittage peut également comprendre des additifs pour accélérer le frittage (ultérieur) des particules.
[0091] Les éventuels autres composants électroniques de puissance appartenant au même étage de composants, tel que le troisième composant 11c, sont de préférence fixés au premier capot 15a de la même façon que le premier composant 11 a. [0092] De la même façon, l’étape S3 de la figure 4C comprend le fixation du deuxième composant 11 b sur la face intérieure du deuxième capot 15b (et plus particulièrement sur une piste conductrice 13), le dépôt du premier matériau de frittage sur le deuxième capot 15b de manière à former un deuxième cordon annulaire 20b autour du deuxième composant 11 b (ou de son emplacement) et le séchage du premier matériau de frittage. Le deuxième cordon annulaire 20b est par exemple formé sur un rebord périphérique du deuxième capot 15b.
[0093] La fixation du deuxième composant 11 b comprend de préférence la formation d’une troisième couche 21 b constituée du deuxième matériau de frittage sur le deuxième capot 15b, le dépôt du deuxième composant 11 b sur la troisième couche 21 b et le séchage du deuxième matériau de frittage de la troisième couche 21 b.
[0094] L’étape S3 peut également comprend la formation d’une quatrième couche 22b en deuxième matériau de frittage sur le deuxième composant 11 b, pour connecter ultérieurement le deuxième composant 11 b au substrat 10 par un joint de matériau fritté. Alternativement, la quatrième couche 22b en deuxième matériau de frittage est déposée sur le substrat 10.
[0095] Les éventuels autres composants électroniques de puissance appartenant au même étage de composants, tel que le quatrième composant 11d, sont de préférence fixés au deuxième capot 15b de la même façon que le deuxième composant 11 a.
[0096] Avant le dépôt des matériaux de frittage, un traitement par plasma Ar/H2 peut être réalisé afin de nettoyer le substrat de ses pollutions organiques éventuelles, de le désoxyder, de le texturer avec une rugosité moyenne arithmétique (notée Ra) recherchée entre 0,2 et 0,8 et d’activer la surface avant frittage. Par ailleurs, le séchage du premier matériau de frittage et le séchage du deuxième matériau de frittage peuvent être accomplis en même temps.
[0097] Avantageusement, le deuxième matériau de frittage servant à fixer les composants au capot 15a, 15b ou au substrat 10 est identique au premier matériau de frittage servant à former les cordons annulaires 20a-20b. Le procédé de fabrication est alors particulièrement simple à mettre en œuvre. Le premier cordon annulaire 20a est avantageusement déposé en même temps que la première couche 21 a ou la deuxième couche 22a. Le deuxième cordon annulaire 20b est avantageusement déposé en même temps que la troisième couche 22a ou la quatrième couche 22b.
[0098] Lors d’une étape S4 représentée par la figure 4D, le premier capot 15a est reporté sur la première face 10a du substrat 10 et le deuxième capot 15b est reporté sur la deuxième face 10b du substrat 10. Les cordons annulaires 20a-20b sont disposés en contact avec le substrat 10. Les reports sont par exemple réalisés au moyen d’un équipement de type « flip-chip » couramment employé dans l’industrie microélectronique.
[0099] De préférence, les capots 15a-15b sont positionnés par rapport au substrat 10 de telle sorte que les cordons annulaires 20a-20b sont situés en vis-à-vis l’un de l’autre. Cette disposition tend à diminuer les contraintes mécaniques.
[00100] Enfin, l’étape S5 de la figure 4E consiste à fritter le premier matériau de frittage pour transformer les cordons annulaires 20a-20b en joints d’étanchéité 16a- 16b. Le deuxième matériau de frittage est fritté simultanément, formant les joints conducteurs 14 entre les composants 11 a-11d et le substrat 10 et entre les composants 11 a-11d et les capots 15a-15b. Le frittage peut être réalisé sous vide partiel ou sous air (pas d’oxydation des pistes conductrices en argent). L’air peut servir à éliminer (calciner) le reste des éléments organiques dans la (les) pâte(s) de frittage.
[00101] Le frittage peut être réalisé sous pression, au moyen d’une presse chauffante, selon des profils de température et de pression prédéterminés, par exemple selon le procédé décrit dans la demande internationale W02022/200749A2. La presse chauffante comprend de préférence un bras chauffant et un support, sur lequel est disposé l’assemblage substrat-composants-capots. De préférence, l’étape de frittage S5 comprend les phases suivantes : une première phase dite de fluage, au cours de laquelle le support et le bras sont portés à une température de fluage comprise entre 165 °C et 175 °C et sont maintenus à cette température pendant une durée comprise entre 30 s et 60 s, et au cours de laquelle une pression constante comprise entre 0,5 MPa et 1 MPa est appliquée pendant une durée comprise entre 15 s et 30 s après une montée d’environ 40 s ; une deuxième phase dite de frittage d’une durée comprise entre 60 s et 400 s, pendant laquelle les températures du bras et du support sont maintenues constantes entre 205 °C et 255 °C et une pression comprise entre 10 MPa et 30 MPa est appliquée ; une troisième phase dite de consolidation et de refroidissement, pendant laquelle la température diminue (par exemple jusqu’à revenir à la température ambiante) tout en maintenant la pression appliquée lors de la deuxième phase.
[00102] La durée de la troisième phase est par exemple comprise entre 1 minute et 10 minutes.
[00103] Alternativement, le frittage est réalisé sans pression, par exemple selon le procédé décrit dans la demande WO2017/046266A1 .
[00104] Le procédé de fabrication décrit en relation avec les figures 4A à 4E est simple à mettre en œuvre, car les étapes S2 et S3 sont des étapes d’assemblage dites « 2D » qui peuvent être réalisées sur panneaux, en parallèle l’une de l’autre (autrement dit simultanément), contrairement à l’étape S4 de report des capots 1 Sa15b et l’étape de frittage S5 (étapes d’assemblage « 3D >>). De même, les étapes de formation des pistes conductrices 13 et des couches diélectriques 18 sur le substrat 10 et les capots 15a-15b peuvent être réalisées en parallèle.

Claims

REVENDICATIONS
[Revendication 1] Module électronique de puissance (1 ) comprenant :
- un substrat (10) présentant une première face (10a) et une deuxième face (10b) opposée à la première face ;
- un premier composant électronique de puissance (11 a) disposé sur la première face (10a) du substrat (10) ;
- un premier capot (15a) disposé sur la première face (10a) du substrat (10) et délimitant avec le substrat une première cavité (17a) dans laquelle est logé le premier composant électronique de puissance (11 a) ;
- un deuxième composant électronique de puissance (11 b) disposé sur la deuxième face (10b) du substrat (10) ; et
- un deuxième capot (15b) disposé sur la deuxième face (10b) du substrat (10) et délimitant avec le substrat une deuxième cavité (17b) dans laquelle est logé le deuxième composant électronique de puissance (11 b) ; caractérisé en ce qu’il comprend en outre :
- un premier joint d’étanchéité annulaire (16a) disposé entre le substrat (10) et le premier capot (15a), le premier joint d’étanchéité annulaire fermant la première cavité (17a) de manière étanche ;
- un deuxième joint d’étanchéité annulaire (16b) disposé entre le substrat (10) et le deuxième capot (15b), le deuxième joint d’étanchéité annulaire fermant la deuxième cavité (17b) de manière étanche ; en ce que les premier et deuxième joints d’étanchéité annulaires (16a, 16b) sont formés d’un matériau fritté, de préférence à base d’argent, et en ce que les première et deuxième cavités (17a, 17b) renferment un gaz ou un mélange de gaz.
[Revendication 2] Module (1 ) selon la revendication 1 , dans lequel :
- le substrat (10) est en métal ;
- le premier composant électronique de puissance (11 a) comprend une première borne reliée électriquement au substrat (10) et une deuxième borne reliée électriquement à une portion conductrice (152, 153) du premier capot (15a) ;
- le deuxième composant électronique de puissance (11 b) comprend une première borne reliée électriquement au substrat (10) et une deuxième borne reliée électriquement à une portion conductrice (152, 153) du deuxième capot (15b).
[Revendication s] Module (1 ) selon la revendication 2, dans lequel chacun des premier et deuxième composants électroniques de puissance (11 a, 11 b) est relié électriquement au substrat (10) par l’intermédiaire d’une piste conductrice (13) et d’un joint conducteur (14) formé du matériau fritté.
[Revendication 4] Module (1 ) selon l’une des revendications 2 et 3, dans lequel :
- le premier composant électronique de puissance (11 a) est relié électriquement à la portion conductrice (152, 153) du premier capot (15a) par l’intermédiaire d’une piste conductrice (13) et d’un joint conducteur (14) formé du matériau fritté ;
- le deuxième composant électronique de puissance (11 b) est relié électriquement à la portion conductrice (152, 153) du deuxième capot (15b) par l’intermédiaire d’une piste conductrice (13) et d’un joint conducteur (14) formé du matériau fritté.
[Revendication 5] Module (1 ) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le premier capot (15a) comprend :
- une premier substrat (151 ) formé d’un premier matériau céramique électriquement isolant ; et
- au moins un premier élément conducteur (152) traversant le premier substrat (151 ) et relié électriquement au premier composant électronique de puissance (11 ) ; et dans lequel le deuxième capot (15b) comprend : un deuxième substrat (151 ) formé d’un deuxième matériau céramique électriquement isolant ; et au moins un deuxième élément conducteur (152) traversant le deuxième substrat (151 ) et relié électriquement au deuxième composant électronique de puissance (11 b).
[Revendication s] Module (1 ) selon la revendication 5, dans lequel les premier et deuxième substrats (151 ) sont en nitrure d’aluminium.
[Revendication 7] Module (1 ) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les premier et deuxième capots (15a, 15b) comprennent chacun une couche de métal (153) et une couche électriquement isolante (154) disposée sur une face extérieure de la couche de métal (153).
[Revendication 8] Actionneur électromécanique comprenant au moins un module électronique de puissance (1 ) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7.
[Revendication 9] Actionneur selon la revendication 8, comprenant un moteur triphasé (40) et un circuit de pilotage et d’alimentation du moteur triphasé, le circuit de pilotage et d’alimentation du moteur triphasé comprenant une pluralité de modules électroniques de puissance (1 ) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 pour générer des courants de phase du moteur triphasé (40).
[Revendication 10] Actionneur selon la revendication 9, dans lequel chaque module électronique de puissance (1 ) est disposé en regard d’une tête de bobine (41 ) du moteur triphasé (40).
[Revendication 11] Procédé de fabrication d’un module électronique (1 ), comprenant les étapes suivantes :
- fournir (S1 ) un substrat (10), un premier capot (15a) et un deuxième capot (15b) ;
- fixer (S2) un premier composant électronique de puissance (11 a) sur le premier capot (15a) ;
- déposer (S2) un matériau de frittage sur le premier capot (15a) de manière à former un premier cordon (20a) autour du premier composant électronique de puissance (11 a) ;
- fixer (S3) un deuxième composant électronique de puissance (11 b) sur le deuxième capot (15b) ; - déposer (S3) le matériau de frittage sur le deuxième capot (15b) de manière à former un deuxième cordon (20b) autour du deuxième composant électronique de puissance (11 b) ;
- reporter (S4) le premier capot (15a) sur une première face (10a) du substrat (10) et le deuxième capot (15b) sur une deuxième face (10b) opposée du substrat, en disposant les premier et deuxième cordons en matériau de frittage (20a, 20b) en contact avec le substrat ; et
- fritter (S5) le matériau de frittage pour former des premiers et deuxième joints d’étanchéité annulaires (16a, 16b), le premier joint d’étanchéité annulaire (16a) fermant de manière étanche une première cavité (17a) délimitée par le premier capot (15a) et le substrat (10) et le deuxième joint d’étanchéité annulaire (16b) fermant de manière étanche une deuxième cavité (17b) délimitée par le deuxième capot (15b) et le substrat (10), les première et deuxième cavités renfermant un gaz ou un mélange de gaz.
[Revendication 12] Procédé selon la revendication 11 , dans lequel le substrat (10) est en aluminium, le procédé comprenant en outre, avant l’étape (S4) de report des capots (15a, 15b), une étape de formation de pistes conductrices (13) à base d’argent sur la première face (10a) et sur la deuxième face (10b) du substrat (10), l’étape de formation des pistes conductrices à base d’argent comprenant les opérations suivantes : dépôt par sérigraphie d’une pâte comprenant des particules d’argent ; séchage de pâte ; et recuit de la pâte à une température supérieure ou égale à 570 °C.
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