FR2459552A1

FR2459552A1 - Support pour composants electriques

Info

Publication number: FR2459552A1
Application number: FR8013079A
Authority: FR
Inventors: Albert John Sadler; Colin Bright Lewis
Original assignee: AEI Semiconductors Ltd
Current assignee: AEI Semiconductors Ltd
Priority date: 1979-06-19
Filing date: 1980-06-12
Publication date: 1981-01-09
Also published as: GB2051474B; FR2459552B1; GB2051474A

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN SUPPORT POUR LE MONTAGE DE COMPOSANTS ELECTRIQUES. IL COMPREND UNE PLAQUE ELECTRIQUEMENT ISOLANTE 6 EN NITRURE DE BORE. LE NITRURE DE BORE EST UN CONDUCTEUR THERMIQUE RELATIVEMENT BON, BIEN QU'IL SOIT EGALEMENT UN BON ISOLANT ELECTRIQUE MAIS IL EST EN UN MATERIAU RELATIVEMENT FRAGILE. POUR MINIMISER LES CONTRAINTES THERMIQUES POUVANT CONDUIRE A LA RUPTURE, UNE MINCE FEUILLE 7, 8 EN MOLYBDENE OU EN TUNGSTENE EST DISPOSEE SUR CHACUNE DES SURFACES PRINCIPALES DE LA PLAQUE 6 DE NITRURE DE BORE. L'INVENTION TROUVE SON APPLICATION DANS LE MONTAGE DES THYRISTORS DE PUISSANCE.

Description

La présente invention a pour objet un support pour composants élec-

triques, destiné à être utilisé dans un assemblage, à l'aide duquel un

composant électrique peut être monté sur un radiateur de refroidisse-

ment. Il est d'usage courant de monter les composants électriques de puissance sur des radiateurs de refroidissement de manière à empêcher les composants d'atteindre des températures trop élevées lorsqu'ils sont

en fonction. Certains types de composants électriques peuvent être sé-

rieusement endommagés ou leur performance fortement réduite lorsqu'ils deviennent trop chauds. La température maximale de fonctionnement est

particulièrement critique pour les semi-conducteurs et autres compo-

sants électroniques et l'on peut se heurter à de grandes difficultés lors-

que l'on monte des composants à semi-conducteurs de puissance de ma-

nière à leur permettre de fonctionner à des niveaux de puissance très

élevés sans surchauffe.

Pour cette raison il est courant de monter un composant sur un ra-

diateur de refroidissement de manière à ménager un très bon chemin

thermique entre le composant et le radiateur et ceci peut être relative-

ment simple dans les cas o le radiateur n'a pas besoin d'être isolé élec-

triquement de la partie du composant électrique située au voisinage du

radiateur. Toutefois, il est très difficile d'obtenir un bon chemin ther-

mique qui soit en même temps un chemin d'isolation électrique étant

donné que l'utilisation des matériaux d'isolation électrique usuels dimi-

nue fortement les propriétés thermiques. Il a été proposé d'utiliser le

nitrure de bore étant donné que ce matériau est un excellent isolant élec-

trique et présente en même temps des propriétés de conduction thermi-

que acceptables si son épaisseur est suffisamment faible. Des difficultés pratiques ont empêché l'adoption à grande échelle de ce matériau étant donné qu'il est soumis à des ruptures mécaniques inattendues et par

conséquent à des ruptures de conduction électrique et la présente inven-

tion a pour but la réalisation d'un support pour composants électriques perfectionné. Le support objet de l'invention comprend une plaque en nitrure de bore disposée entre deux corps relativement massifs en un matériau conducteur électriquement et thermiquement, et une feuille disposée de chaque côté de la plaque de manière à être interposée entre la plaque et

le corps correspondant, le matériau constituant ces feuilles ayant un co-

efficient de dilatation thermique compris entre celui du nitrure de bore

et celui du matériau des corps.

Bien que l'un des corps puisse être un radiateur de refroidissement

ou une partie de celui-ci, on préfère éviter cette solution; en fait on pré-

fère que les deux corps soient en cuivre. Dans ce cas l'un des corps est,

lors du fonctionnement, monté en contact avec le radiateur de refroidis-

sement et un composant électrique est monté en contact thermique avec

l'autre corps. Une électrode peut être disposée entre le composant élec-

trique et l'autre corps.

De préférence les feuilles sont plus minces que la plaque. Ceci di-

minue la résistance thermique du chemin de conduction thermique entre le composant et le radiateur. Ce matériau est choisi en tenant compte de

sa résistance de façon qu'il puisse résister aux contraintes thermiques.

De préférence le matériau est en molybdène ou en tungstène.

De préférence les dimensions latérales de la plaque en nitrure de

bore sont supérieures à celles des corps. On ménage ainsi un long che-

min superficiel ce qui diminue le risque de décharge électrique ou cla-

quage.

La présence des couches additionnelles diminue les contraintes mé-

caniques d'origine thermique dans le nitrure de bore lorsque le support

devient chaud. Toutefois, il est nécessaire, pour empêcher des courts-

circuits de se produire lorsque malgré tout la plaque de nitrure de bore

se fissure ou est endommagée d'autre façon par les contraintes thermi-

ques, de monter cette plaque dans un liquide isolant électrique. Si une fissure se produit le liquide la remplit immédiatement en maintenant ainsi l'isolation électrique. De préférence le liquide est constitué par

de l'huile de silicone.

De préférence les feuilles sont disposées dans des cavités peu pro-

fondes ou creusures pratiquées dans les corps correspondants. Ceci empêche tout déplacement indésirable des couches relativement aux

corps et facilite l'assemblage du support.

La figure unique du dessin donné à titre d'exemple illustre un mode -3 -

d'exécution du support selon l'invention.

Le dessin montre un dispositif à semi-conducteur de puissance, en

l'occurrence un thyristor 1, monté de façon à être en bon contact ther-

mique avec un grand radiateur de refroidissement 2 à ailettes. Le thy-

ristor est positionné entre une électrode supérieure 3 en cuivre se présentant sous la forme d'une barre omnibus et une électrode inférieure 12,

également en cuivre et en forme de barre omnibus. Lors du fonctionne-

ment une très grande différence de potentiel peut exister entre les élec-

trodes 3 et 12 et lorsque le thyristor est rendu conducteur à l'aide d'un

signal de commande appliqué à son électrode de commande (non repré-

senté), le thyristor peut conduire des courants très élevés. Ce faisant il peut devenir extrêmement chaud et pour éviter que le thyristor ne soit surchauffé, la chaleur doit être amenée rapidement au grand radiateur

de refroidissement 2 à ailettes.

Différents types de composants électriques peuvent être sérieuse-

ment endommagés s'ils sont surchauffés et ceci est valable notamment pour les semi-conducteurs. Les performances d'un semi-conducteur peuvent être sérieusement diminuées ou annulées si la température de

fonctionnement dépasse une certaine valeur et de plus le semi-conduc-

teur peut être endommagé de façon permanente ou détruit s'il est sur-

chauffé. Pour cette raison l'environnement thermique du thyristor est de grande importance. La chaleur s'écoule du thyristor 1 au radiateur 2 par l'intermédiaire de deux corps relativement massifs 4 et 5 en cuivre,

ces derniers étant en contact étroit avec le radiateur de refroidissement.

Dans beaucoup d'applications, il est important d'isoler électrique-

ment le thyristor 1 du radiateur 2 et pour cette raison une mince plaque 6 en nitrure de bore est disposée entre les deux corps massifs en cuivre 4 et 5. Le nitrure de bore est un excellent isolant électrique et présente

une conduction thermique qui est beaucoup supérieure à celle de la plu-

part des isolants électriques, bien que naturellement il ne soit pas aussi bon conducteur thermique que par exemple le cuivre. Afin de réduire au maximum les résistances thermiques, la plaque 6 est construite aussi

mince que possible et son épaisseur sera de par exemple 2 mm. Le ni-

trure de bore est un matériau relativement fragile, présentant un faible 4 - coefficient de dilatation thermique et on a trouvé que lorsque le support

devient chaud, la plaque de nitrure de bore peut se fissurer. Pour ré-

duire les risques de contrainte mécanique provoquée par la chaleur, des

feuilles 7 et 8 sont disposées de part et d'autre de la plaque 6. Ces feuil-

les sont des plaquettes minces en molybdène ayant par exemple une épaisseur comprise entre un 1/2 mm et 1 mm. Au lieu du molybdène on peut utiliser de minces feuilles de tungstène. Les feuilles 7 et 8 se présentent sous la forme de disques plats disposés dans des creusures circulaires

pratiquées dans la surface des corps 4 et 5.

Le coefficient d'expansion thermique des différents matériaux sont approximativement les suivants: Nitrure de bore 1 x 10 par C Molybdène 5 x 10 par GC Tungstène 4,5 x10- 6par C Cuivre 16 x 10- 6par C On voit que le coefficient de dilatation du molybdène est de beaucoup

inférieur à celui du cuivre et ceci diminue fortement les contraintes mé-

caniques appliquées au nitrure de bore lorsque les corps en cuivre 4 et se dilatent et se contractent. Etant donné que des potentiels relativement grands peuvent exister entre les deux corps 4 et 5, le diamètre de la plaque de nitrure de bore 6, qui a également la forme d'un disque, est sensiblement plus grand que le diamètre des disques de molybdène de manière à former un chemin

électrique extérieur relativement long. Toutefois, si la plaque de molyb-

dène se fissurait des décharges électriques pourraient se produire à tra-

vers la fissure ainsi formée et pour réduire ce risque la plaque de nitru-

re de bore 6 est immergée dans une huile électriquement isolante telle

que de l'huile de silicone. L'huile est maintenue dans une enceinte déli-

mitée par deux disques annulaires 9 et 10 entourant les corps 4 et 5 res-

pectivement et ces deux disques sont reliés ensemble par un anneau 1l en céramique électriquement isolante. La surface extérieure de l'anneau 11 présente des cannelures profondes de manières à former un chemin

électrique superficiel relativement long permettant de réduire la proba-

bilité d'une décharge électrique. L'enceinte ainsi formée est scellée et 5 -

renferme de l'huile de silicone.

En pratique une force de serrage élevée est appliquée dans la di-

rection de la flèche A de manière à presser fermement le montage en contact étroit avec le radiateur de refroidissement 2. A cet effet on peut utiliser des tire-fonds bien que cela ne soit pas représenté.

Bien que le composant électrique (le thyristor 1) est représenté mon-

té en sandwich entre l'électrode supérieure 3 et l'électrode inférieure 12

ceci n'est pas la seule disposition pratique et on peut utiliser une confi-

guration semblable à celle représentée dans le fascicule de brevet bri-

tannique 1 501 388 du titulaire. Dans cette disposition le corps 4 présen-

terait une section carrée au lieu d'une section circulaire et le composant

électrique est disposé en sandwich entre l'une des quatre surfaces laté-

rales du corps 4 et un autre corps relativement massif (non représenté).

Bien que l'épaisseur du molybdène est inférieure à celle du nitrure

de bore c'est un matériau relativement robuste et mieux à même de ré-

sister aux contraintes thermiques impliquées.

-6 -

Claims

REVENDICATIONS

i. Support pour le montage d'un composant électrique (1), caractérisé en ce qu'il comprend une plaque (6) en nitrure de bore disposée entre

deux corps relativement massifs (4,5) en un matériau conducteur électri-

quement et thermiquement, et une feuille (7,8) disposée de chaque côté

de la plaque de manière à être interposée entre la plaque et le corps cor-

respondant, le matériau constituant ces feuilles ayant un coefficient de dilatation thermique compris entre celui du nitrure de bore et celui du

matériau des corps.
2. Support selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux

corps (4,5) sont en cuivre.
3. Support selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'un (5) des

corps est monté en contact avec un radiateur de refroidissement (2).
4. Support selon la revendication 3, caractérisé en ce que le composant

électrique (1) est monté à proximité de et en contact thermique avec l'au-

tre corps (4).
5. Support selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une électrode

(12) est disposée entre le composant électrique (1) et l'autre corps (4).
6. Support selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca-

ractérisé en ce que les feuilles (7,8) sont plus minces que la plaque (6).
7. Support selon la revendication 6, caractérisé en ce que les feuilles

(7, 8) sont en molybdène ou en tungstène.
8. Support selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca-

ractérisé en ce que les dimensions latérales de la plaque (6) en nitrure

de bore sont supérieures à celles des corps (4,5).
9. Support selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca-

ractérisé en ce que chaque feuille (7,8) est disposée dans une creusure

du corps (4,5) correspondant.
10. Support selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca-

ractérisé en ce que la plaque (6) de nitrure de bore est montée dans un

liquide électriquement isolant.
11. Support selon la revendication 10, caractérisé en ce que le liquide

est de l'huile de silicone.