FR3143849A1

FR3143849A1 - POWER MODULE COMPRISING A POWER CHIP, A SUBSTRATE AND A COOLING BLOCK

Info

Publication number: FR3143849A1
Application number: FR2213540A
Authority: FR
Inventors: Marek LEWANDOWSKI1
Original assignee: Valeo eAutomotive France SAS
Current assignee: Valeo eAutomotive France SAS
Priority date: 2022-12-16
Filing date: 2022-12-16
Publication date: 2024-06-21
Also published as: WO2024126855A1; CN120418958A; JP2025539606A; DE112023005234T5

Abstract

L'invention concerne un module de puissance (10) comprenant : au moins une puce de puissance (20),un substrat (30) comprenant au moins une couche de connexion électrique (32) reliée à la puce de puissance, et une couche d'isolation électrique (34) disposée contre la couche de connexion électrique,un bloc de refroidissement (40) comprenant :une paroi de délimitation de la chambre à vapeur (42),une première partie (442) d'une chambre à vapeur (44),une ouverture (46) formant une seconde partie (444) de la chambre à vapeur, s'étendant depuis la première partie à travers la couche d'isolation électrique (34) jusqu'à une surface d'évaporateur (322V) de la face interne de la couche de connexion électrique,un support d'isolant électrique (48) séparant la paroi délimitation de la chambre à vapeur (42) de la couche d'isolant électrique (34),un bloc de refroidissement de liquide (50), comprenant un corps de refroidissement (52) et un canal de refroidissement (54),un fluide électrique isolant dans la chambre à vapeur. Figure de l’abrégé: Fig. 2 The invention relates to a power module (10) comprising: at least one power chip (20),a substrate (30) comprising at least one electrical connection layer (32) connected to the power chip, and an electrical insulation layer (34) disposed against the electrical connection layer ,a cooling block (40) comprising:a boundary wall of the steam chamber (42),a first part (442) of a steam chamber (44),an opening (46) forming a second part (444 ) of the vapor chamber, extending from the first part through the electrical insulation layer (34) to an evaporator surface (322V) of the inner face of the electrical connection layer, a support electrical insulator (48) separating the boundary wall of the steam chamber (42) from the electrical insulating layer (34), a liquid cooling block (50), comprising a cooling body (52) and a channel cooling (54), an electrical insulating fluid in the steam chamber. Abstract figure: Fig. 2

Description

POWER MODULE COMPRISING A POWER CHIP, A SUBSTRATE AND A COOLING BLOCK

L'invention concerne le domaine des blocs de refroidissement pour dissiper la chaleur d'une source de chaleur, telle qu'une puce de puissance.The invention relates to the field of cooling blocks for dissipating heat from a heat source, such as a power chip.

La présente invention se réfère particulièrement à un module de puissance comprenant une puce de puissance, un substrat et un bloc de refroidissement muni d'une chambre à vapeur.The present invention particularly refers to a power module comprising a power chip, a substrate and a cooling block provided with a vapor chamber.

State of the art

Le module de puissance est généralement largement connu dans l'art. Selon un exemple illustré à la , un module de puissance 1 comprend :

une puce de puissance 20, et
un substrat 3 comprenant au moins un :
- couche de connexion électrique 32 comprenant une face extérieure 324 connectée à la puce de puissance 20 pour l'alimenter, et une face intérieure 322 opposée à la puce de puissance 20, et
- couche d'isolant électrique 33 en contact avec la face interne 322 de la couche de connexion électrique 32, comprenant :
  - une face de contact 334 recouvrant entièrement la face interne 322 et
  - une face de chambre 332 opposée à la couche de connexion électrique 32, et
un bloc de refroidissement 4 comprenant :
- une enceinte de chambre à vapeur 43 renfermant une chambre à vapeur 430,
- un bloc de refroidissement de liquide 50, comprenant un corps de refroidissement 52 et un canal de refroidissement 54, à travers lequel circule un liquide de refroidissement, et
- un fluide de travail dans l'enceinte de la chambre à vapeur 43, le fluide de travail étant dans un état liquide ou gazeux.

The power module is generally widely known in the art. According to an example illustrated in the , a power module 1 includes:

a 20-power chip, and
a substrate 3 comprising at least one:
- electrical connection layer 32 comprising an outer face 324 connected to the power chip 20 to power it, and an inner face 322 opposite the power chip 20, and
- electrical insulating layer 33 in contact with the internal face 322 of the electrical connection layer 32, comprising:
  - a contact face 334 completely covering the internal face 322 and
  - a chamber face 332 opposite the electrical connection layer 32, and
a cooling block 4 comprising:
- a steam chamber enclosure 43 enclosing a steam chamber 430,
- a liquid cooling block 50, comprising a cooling body 52 and a cooling channel 54, through which a cooling liquid circulates, and
- a working fluid within the enclosure of the steam chamber 43, the working fluid being in a liquid or gaseous state.

Selon le mode de réalisation illustré à la , la puce de puissance 20 est située sous le substrat 3 qui est situé sous le bloc de refroidissement 4 du module de puissance 1, dans une direction verticale V d'une référence VLT.According to the embodiment illustrated in the , the power chip 20 is located under the substrate 3 which is located under the cooling block 4 of the power module 1, in a vertical direction V of a VLT reference.

La puce de puissance 20 correspond à un composant électrique formant la source de chaleur du module de puissance 1, tel qu'un commutateur électronique de puissance ou un processeur ou une DEL.The power chip 20 corresponds to an electrical component forming the heat source of the power module 1, such as a power electronic switch or a processor or an LED.

Le substrat 3 correspond à un substrat en cuivre à liaison directe (DBC) fournissant les interconnexions pour former un circuit électrique. En particulier, la couche de connexion électrique 32 du substrat 3 comprend des traces (non représentées sur la ) maintenues en position sur la couche d'isolation électrique 33 du substrat 3 pour être connectées à différents connecteurs de la puce de puissance 20. Généralement, la couche de connexion électrique 32 du substrat 3 est constituée d'un matériau thermiquement conducteur, tel que le cuivre, et la couche d'isolation électrique 33 du substrat 3 est constituée d'un matériau électriquement non conducteur, tel que la céramique.The substrate 3 corresponds to a direct bond copper (DBC) substrate providing the interconnections to form an electrical circuit. In particular, the electrical connection layer 32 of the substrate 3 comprises traces (not shown in the ) held in position on the electrical insulation layer 33 of the substrate 3 to be connected to different connectors of the power chip 20. Generally, the electrical connection layer 32 of the substrate 3 is made of a thermally conductive material, such as copper, and the electrical insulation layer 33 of the substrate 3 is made of an electrically non-conductive material, such as ceramic.

Le bloc de refroidissement 4 est conçu pour refroidir les composants électroniques, c'est-à-dire la puce de puissance 20 du module de puissance 1.The cooling block 4 is designed to cool the electronic components, i.e. the power chip 20 of the power module 1.

Selon un exemple illustré sur la , le corps de refroidissement 52 du bloc de refroidissement de liquide 50 du bloc de refroidissement 4 comprend une pluralité de parties (seules deux sont illustrées sur la ) dont une première partie 52A comprend une face de contact 524A opposée à la chambre de vapeur 430 et une face interne 522A délimitant le canal de refroidissement 54 du bloc de refroidissement de liquide 50, et une deuxième partie 52B comprend une première face interne 522B délimitant le canal de refroidissement 54 opposée à la face interne 522A de la première partie 52A du corps de refroidissement 52. La deuxième partie 52B comprend également une deuxième face 524B opposée à la première face interne 522B qui peut être une surface extérieure à l'air ou une surface intérieure d'un autre canal de refroidissement.According to an example illustrated on the , the cooling body 52 of the liquid cooling block 50 of the cooling block 4 comprises a plurality of parts (only two are illustrated in the ) of which a first part 52A comprises a contact face 524A opposite the vapor chamber 430 and an internal face 522A delimiting the cooling channel 54 of the liquid cooling block 50, and a second part 52B comprises a first internal face 522B delimiting the cooling channel 54 opposite the internal face 522A of the first part 52A of the cooling body 52. The second part 52B also comprises a second face 524B opposite the first internal face 522B which can be a surface external to the air or an internal surface of another cooling channel.

La chambre de vapeur 430 est une enceinte sous vide fermée par l'enceinte de chambre de vapeur 43 du bloc de refroidissement 4 qui contient le fluide de travail. La chambre de vapeur 430 est délimitée, dans la direction verticale V, entre la face de chambre 332 de la couche d'isolation électrique 33 et la face de contact 524A de la première partie 52A du corps de refroidissement 52 du bloc de refroidissement de liquide 50. De manière générale, l'enceinte de la chambre à vapeur 43 du bloc de refroidissement 4 est réalisée dans un matériau thermiquement conducteur, de préférence métallique. Préférentiellement, le fluide de travail est un liquide de refroidissement tel que de l'eau non traitée qui est une eau conductrice de l'électricité. Ainsi, la couche d'isolation électrique 33 permet d'isoler électriquement la couche de connexion électrique 32 du bloc de refroidissement 4.The vapor chamber 430 is a vacuum enclosure closed by the vapor chamber enclosure 43 of the cooling block 4 which contains the working fluid. The vapor chamber 430 is delimited, in the vertical direction V, between the chamber face 332 of the electrical insulation layer 33 and the contact face 524A of the first part 52A of the cooling body 52 of the liquid cooling block 50. In general, the enclosure of the vapor chamber 43 of the cooling block 4 is made of a thermally conductive material, preferably metallic. Preferably, the working fluid is a cooling liquid such as untreated water which is electrically conductive water. Thus, the electrical insulation layer 33 makes it possible to electrically insulate the electrical connection layer 32 of the cooling block 4.

Le procédé de refroidissement de la puce de puissance 20 du module de puissance 1 comprend les étapes suivantes :

diffusion de la chaleur depuis la puce de puissance 20 vers le substrat 3 du module de puissance 1 et vers l'enceinte de la chambre à vapeur 43,
augmenter la température du fluide de travail logé dans la chambre à vapeur 430, à l'état liquide,
diffusion de chaleur depuis l'enceinte de la chambre à vapeur 43 vers le bloc de refroidissement liquide 50, et transformation du fluide de travail à l'état gazeux,
refroidir le fluide de travail dans l'enceinte de la chambre à vapeur 43, de l'état gazeux à l'état liquide, grâce à l'échange thermique entre le bloc de refroidissement 50 refroidi par les flux de liquide de refroidissement et l'enceinte de la chambre à vapeur 43,
distribuer le fluide de travail, à l'état liquide, par gravité, à la partie de l'enceinte de la chambre de vapeur 43 en contact avec la face de la chambre 332 de la couche d'isolation électrique 33 du substrat 3, en face de la puce de puissance 20 pour refroidir la puce de puissance 20.

The cooling method of the power chip 20 of the power module 1 comprises the following steps:

diffusion of heat from the power chip 20 to the substrate 3 of the power module 1 and to the enclosure of the vapor chamber 43,
increasing the temperature of the working fluid housed in the steam chamber 430, in the liquid state,
diffusion of heat from the enclosure of the steam chamber 43 to the liquid cooling block 50, and transformation of the working fluid into the gaseous state,
cooling the working fluid in the enclosure of the steam chamber 43, from the gaseous state to the liquid state, by means of the heat exchange between the cooling block 50 cooled by the flows of cooling liquid and the enclosure of the steam chamber 43,
distributing the working fluid, in the liquid state, by gravity, to the part of the enclosure of the vapor chamber 43 in contact with the face of the chamber 332 of the electrical insulation layer 33 of the substrate 3, opposite the power chip 20 to cool the power chip 20.

Toutes ces étapes sont exécutées en boucle, voire en même temps.All these steps are performed in a loop, or even at the same time.

Cependant, la conductivité thermique de la couche d'isolation électrique 33 du substrat 3 du module de puissance 1 est relativement faible, ce qui a un impact sur le transfert de chaleur de la puce de puissance 20 vers le bloc de refroidissement 4 et donc le refroidissement de la puce de puissance 20 n'est pas optimal. Par conséquent, le prix de la puce de puissance augmente en raison du fait qu'elle doit avoir une limite de température plus élevée.However, the thermal conductivity of the electrical insulation layer 33 of the substrate 3 of the power module 1 is relatively low, which impacts the heat transfer from the power chip 20 to the cooling block 4 and thus the cooling of the power chip 20 is not optimal. Therefore, the price of the power chip increases due to the fact that it must have a higher temperature limit.

DISCLOSURE OF THE INVENTION

L'invention propose une solution aux problèmes mentionnés en fournissant un module de puissance comprenant une puce de puissance, un substrat, et un bloc de refroidissement avec une architecture particulière.The invention provides a solution to the mentioned problems by providing a power module comprising a power chip, a substrate, and a cooling block with a particular architecture.

L'invention concerne un module de puissance comprenant :

au moins une puce de puissance, et
un substrat comprenant au moins un :
- couche de connexion électrique connectée à la puce de puissance pour l'alimenter et comprenant une face interne opposée à la puce de puissance, et
- couche d'isolation électrique disposée contre la face interne de la couche de connexion électrique et comprenant une face de chambre opposée à la couche de connexion électrique,
un bloc de refroidissement comprenant :
- une paroi de délimitation de la chambre à vapeur comprenant une face de condensation,
- une première partie d'une chambre à vapeur délimitée, dans une première direction, entre la face de condensation de la paroi de délimitation de la chambre à vapeur et la face de chambre de la couche d'isolation électrique,
- une ouverture formant une seconde partie de la chambre à vapeur, s'étendant de la première partie à travers la couche d'isolation électrique jusqu'à une surface d'évaporation de la face interne de la couche de connexion électrique opposée à la puce de puissance,
- un support d'isolant électrique séparant la paroi de délimitation de la chambre à vapeur de la couche d'isolant électrique, comprenant une face interne délimitant la première partie de la chambre à vapeur, dans une seconde direction, à travers le support d'isolant électrique,
- un bloc de refroidissement liquide, comprenant un corps de refroidissement et un canal de refroidissement, à travers lequel circule un liquide de refroidissement, et
- un fluide électrique isolant dans la chambre à vapeur.

The invention relates to a power module comprising:

at least one power chip, and
a substrate comprising at least one:
- electrical connection layer connected to the power chip to power it and comprising an internal face opposite the power chip, and
- electrically insulating layer disposed against the inner face of the electrical connection layer and comprising a chamber face opposite the electrical connection layer,
a cooling block comprising:
- a delimiting wall of the steam chamber comprising a condensation face,
- a first part of a steam chamber delimited, in a first direction, between the condensation face of the delimiting wall of the steam chamber and the chamber face of the electrical insulation layer,
- an opening forming a second portion of the vapor chamber, extending from the first portion through the electrical insulation layer to an evaporation surface of the inner face of the electrical connection layer opposite the power chip,
- an electrically insulating support separating the vapor chamber boundary wall from the electrically insulating layer, comprising an inner face delimiting the first portion of the vapor chamber, in a second direction, through the electrically insulating support,
- a liquid cooling block, comprising a cooling body and a cooling channel, through which a cooling liquid circulates, and
- an insulating electrical fluid in the steam chamber.

Le module de puissance selon l'invention, améliore la conductivité thermique du substrat, notamment dans une zone de la couche de connexion électrique opposée à la puce de puissance grâce à la présence d'une ouverture formée dans la couche d'isolation électrique opposée à la puce de puissance, la partie chauffante (la zone de la couche de connexion électrique) du substrat est donc directement en contact avec la chambre à vapeur. Le fait d'utiliser un fluide électrique isolant permet d'isoler la couche de connexion électrique de la paroi de délimitation de la chambre à vapeur.The power module according to the invention improves the thermal conductivity of the substrate, in particular in a region of the electrical connection layer opposite the power chip, thanks to the presence of an opening formed in the electrical insulation layer opposite the power chip, the heating part (the region of the electrical connection layer) of the substrate is therefore in direct contact with the vapor chamber. Using an insulating electrical fluid makes it possible to isolate the electrical connection layer from the delimiting wall of the vapor chamber.

De préférence, la couche d'isolant électrique du substrat comprend une face interne délimitant la chambre à vapeur, qui s'étend de la face interne de la couche de connexion électrique, à la face interne du support d'isolant électrique du bloc de refroidissement 40. L'isolant électrique comprend une face de contact de la couche d'isolant électrique, en contact avec la face interne de la couche de connexion électrique.Preferably, the electrical insulating layer of the substrate comprises an internal face delimiting the vapor chamber, which extends from the internal face of the electrical connection layer, to the internal face of the electrical insulating support of the cooling block 40. The electrical insulator comprises a contact face of the electrical insulating layer, in contact with the internal face of the electrical connection layer.

Dans un exemple, la face interne s'étend de la face de contact de la couche d'isolant électrique à la face interne du support d'isolant électrique.In one example, the inner face extends from the contact face of the electrical insulating layer to the inner face of the electrical insulating support.

Avantageusement, la paroi de délimitation de la chambre à vapeur du bloc de refroidissement est en cuivre, tout comme la couche de connexion électrique du substrat. Cette caractéristique permet d'éviter les phénomènes d'électrolyse à l'intérieur de la chambre à vapeur entre la couche d'isolation électrique et la paroi de délimitation de la chambre à vapeur.Advantageously, the delimiting wall of the vapor chamber of the cooling block is made of copper, as is the electrical connection layer of the substrate. This feature makes it possible to avoid electrolysis phenomena inside the vapor chamber between the electrical insulation layer and the delimiting wall of the vapor chamber.

Selon un exemple de premier mode de réalisation, le bloc de refroidissement comprend une plaque isolante supplémentaire disposée sur une face de condensation de la paroi de délimitation de la chambre à vapeur, à l'opposé de l'ouverture du bloc de refroidissement. Cette caractéristique permet d'éviter la formation d'arcs électriques entre la couche de connexion électrique du substrat et la paroi de délimitation de la chambre à vapeur du bloc de refroidissement.According to an exemplary first embodiment, the cooling block comprises an additional insulating plate arranged on a condensation face of the vapor chamber boundary wall, opposite the opening of the cooling block. This feature makes it possible to avoid the formation of electric arcs between the electrical connection layer of the substrate and the vapor chamber boundary wall of the cooling block.

De préférence, selon l'exemple précédent, la plaque isolante supplémentaire de la paroi de délimitation de la chambre à vapeur du bloc de refroidissement recouvre complètement la face de condensation de la paroi de délimitation de la chambre à vapeur et a une épaisseur inférieure à l'épaisseur de la paroi de délimitation de la chambre à vapeur.Preferably, according to the previous example, the additional insulating plate of the vapor chamber boundary wall of the cooling block completely covers the condensation face of the vapor chamber boundary wall and has a thickness less than the thickness of the vapor chamber boundary wall.

Avantageusement, le fluide d'isolation électrique est de l'eau pure telle que de l'eau traitée sans aucune impureté, c'est-à-dire un fluide non conducteur. L'utilisation d'eau pure dans la chambre à vapeur permet de maintenir une isolation électrique correcte dans le module de puissance.Advantageously, the electrical insulation fluid is pure water such as treated water without any impurities, i.e. a non-conductive fluid. The use of pure water in the steam chamber allows proper electrical insulation to be maintained in the power module.

De préférence, le corps de refroidissement du bloc de refroidissement liquide est en aluminium qui est un conducteur thermique très efficace.Preferably, the cooling body of the liquid cooling block is made of aluminum which is a very efficient thermal conductor.

Avantageusement, le corps de refroidissement du bloc de refroidissement liquide comprend des ailettes s'étendant vers l'extérieur pour être refroidies par l'air entourant le bloc de refroidissement liquide. La présence d'ailettes refroidit le corps de refroidissement qui refroidit les flux de liquide de refroidissement et ainsi la paroi de délimitation de la chambre à vapeur et le fluide électrique isolant dans le canal de refroidissement. En particulier, les ailettes peuvent être creuses et former une partie du canal de refroidissement du bloc de refroidissement de liquide.Advantageously, the cooling body of the liquid cooling block comprises fins extending outwardly to be cooled by the air surrounding the liquid cooling block. The presence of fins cools the cooling body which cools the coolant flows and thus the delimiting wall of the vapor chamber and the electrically insulating fluid in the cooling channel. In particular, the fins may be hollow and form a part of the cooling channel of the liquid cooling block.

Selon un deuxième mode de réalisation, la paroi de délimitation de la chambre à vapeur et le support de l'isolant électrique du bloc de refroidissement forment une seule pièce. Cette caractéristique permet de réduire le nombre total de pièces dans le module de puissance.According to a second embodiment, the vapor chamber boundary wall and the support of the electrical insulation of the cooling block form a single part. This feature makes it possible to reduce the total number of parts in the power module.

Selon un troisième mode de réalisation, le module de puissance comprend un matériau à mèche disposé dans la chambre à vapeur du bloc de refroidissement. La présence d'un matériau à mèche permet de distribuer le fluide électrique isolant, à l'état liquide, par capillarité, vers la face évaporatrice de la couche de connexion électrique du substrat, et ainsi de refroidir la puce de puissance du module de puissance.According to a third embodiment, the power module comprises a wicking material disposed in the vapor chamber of the cooling block. The presence of a wicking material makes it possible to distribute the insulating electrical fluid, in the liquid state, by capillarity, towards the evaporating face of the electrical connection layer of the substrate, and thus to cool the power chip of the power module.

Selon un premier exemple du troisième mode de réalisation, le matériau de mèche remplit les première et deuxième parties de la chambre à vapeur du bloc de refroidissement.According to a first example of the third embodiment, the wicking material fills the first and second portions of the vapor chamber of the cooling block.

Selon un deuxième exemple du troisième mode de réalisation, le matériau de la mèche recouvre toutes les faces à l'intérieur de la chambre à vapeur du bloc de refroidissement.According to a second example of the third embodiment, the wick material covers all faces inside the vapor chamber of the cooling block.

BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

L'invention est encore élucidée dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles :

La , déjà décrite, est une vue en coupe d'un module de puissance comprenant une puce de puissance, un substrat et un bloc de refroidissement selon l'art antérieur ;
La est une vue en coupe d'un module de puissance comprenant une puce de puissance, un substrat, et un bloc de refroidissement selon un premier exemple d'un premier mode de réalisation de l'invention,
La est une vue en coupe d'un module de puissance comprenant une puce de puissance, un substrat et un bloc de refroidissement selon un deuxième exemple du premier mode de réalisation de l'invention ;
La est une vue en coupe en perspective d'un module de puissance comprenant une puce de puissance, un substrat et un bloc de refroidissement selon un troisième exemple du premier mode de réalisation de l'invention ;
La est une vue en coupe d'un module de puissance comprenant une puce de puissance, un substrat et un bloc de refroidissement selon un quatrième exemple du premier mode de réalisation de l'invention ;
La est une vue en coupe d'un module de puissance comprenant une puce de puissance, un substrat et un bloc de refroidissement selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
La est une vue en coupe d'un module de puissance comprenant une puce de puissance, un substrat et un bloc de refroidissement selon un premier exemple d'un troisième mode de réalisation de l'invention ;
La est une vue en coupe d'un module de puissance comprenant une puce de puissance, un substrat et un bloc de refroidissement selon un deuxième exemple du troisième mode de réalisation de l'invention.

The invention is further elucidated in the description illustrated by the appended figures in which:

There , already described, is a sectional view of a power module comprising a power chip, a substrate and a cooling block according to the prior art;
There is a sectional view of a power module comprising a power chip, a substrate, and a cooling block according to a first example of a first embodiment of the invention,
There is a sectional view of a power module comprising a power chip, a substrate and a cooling block according to a second example of the first embodiment of the invention;
There is a perspective sectional view of a power module comprising a power chip, a substrate and a cooling block according to a third example of the first embodiment of the invention;
There is a sectional view of a power module comprising a power chip, a substrate and a cooling block according to a fourth example of the first embodiment of the invention;
There is a sectional view of a power module comprising a power chip, a substrate and a cooling block according to a second embodiment of the invention;
There is a sectional view of a power module comprising a power chip, a substrate and a cooling block according to a first example of a third embodiment of the invention;
There is a sectional view of a power module comprising a power chip, a substrate and a cooling block according to a second example of the third embodiment of the invention.

DETAILED DESCRIPTION

Un exemple de module de puissance selon l'invention est décrit en détail ci-après, en référence aux figures annexées. Cet exemple illustre les caractéristiques et avantages de l'invention.An example of a power module according to the invention is described in detail below, with reference to the attached figures. This example illustrates the characteristics and advantages of the invention.

Sauf indication contraire, le même élément apparaissant dans différentes figures a une référence unique.Unless otherwise indicated, the same element appearing in different figures has a single reference.

Pour la compréhension de l'invention, les orientations verticale, longitudinale et transversale sont adoptées selon la référence VLT représentée sur les figures, où les axes longitudinal L et transversal T s'étendent dans un plan horizontal.For the understanding of the invention, the vertical, longitudinal and transverse orientations are adopted according to the VLT reference shown in the figures, where the longitudinal L and transverse T axes extend in a horizontal plane.

Les figures 2 à 8 montrent un module de puissance 10 dans lequel les figures 2 à 5 correspondent à différents exemples d'un premier mode de réalisation, la correspond à un deuxième mode de réalisation, et les figures 7 et 8 correspondent à deux exemples d'un troisième mode de réalisation.Figures 2 to 8 show a power module 10 in which Figures 2 to 5 correspond to different examples of a first embodiment, the corresponds to a second embodiment, and Figures 7 and 8 correspond to two examples of a third embodiment.

Les modules de puissance 10 selon les premier, deuxième et troisième modes de réalisation comprennent au moins une puce de puissance 20 et un substrat 30 comprenant au moins un :

couche de connexion électrique 32 comprenant une face externe 324 connectée à la puce de puissance 20 pour l'alimenter, et comprenant une face interne 322 opposée à la puce de puissance 20, et
couche d'isolation électrique 34 comprenant une face de contact 344 disposée contre la face interne 322 de la couche de connexion électrique 32, et une face de chambre 342 opposée à la couche de connexion électrique 32.

The power modules 10 according to the first, second and third embodiments comprise at least one power chip 20 and a substrate 30 comprising at least one:

electrical connection layer 32 comprising an external face 324 connected to the power chip 20 to power it, and comprising an internal face 322 opposite the power chip 20, and
electrical insulation layer 34 comprising a contact face 344 disposed against the internal face 322 of the electrical connection layer 32, and a chamber face 342 opposite the electrical connection layer 32.

Les modules de puissance 10 selon les premier, deuxième et troisième modes de réalisation comprennent également un bloc de refroidissement 40 comprenant une paroi de délimitation de chambre à vapeur 42 comprenant une face de condensation 424 et une face de contact 422 et une chambre à vapeur 44 délimitée par la paroi de délimitation de chambre à vapeur 42.The power modules 10 according to the first, second and third embodiments also comprise a cooling block 40 comprising a vapor chamber delimiting wall 42 comprising a condensation face 424 and a contact face 422 and a vapor chamber 44 delimited by the vapor chamber delimiting wall 42.

La chambre à vapeur 44 comprend : :

une première partie 442 délimitée, dans la direction verticale V, entre la face de chambre 342 de la couche d'isolant électrique 34 et la face de condensation 424 de la paroi de délimitation de la chambre à vapeur 42,
une ouverture 46 formant une seconde partie 444 de la chambre à vapeur 44, s'étendant de la première partie 442 à travers la couche d'isolation électrique 34 jusqu'à une surface d'évaporation 322V de la face interne 322 de la couche de connexion électrique 32, en face de la puce de puissance 20,

Steam chamber 44 includes:

a first portion 442 delimited, in the vertical direction V, between the chamber face 342 of the electrical insulating layer 34 and the condensation face 424 of the delimiting wall of the steam chamber 42,
an opening 46 forming a second portion 444 of the vapor chamber 44, extending from the first portion 442 through the electrical insulation layer 34 to an evaporation surface 322V of the inner face 322 of the electrical connection layer 32, facing the power chip 20,

Le bloc de refroidissement 40 de chaque module de puissance 10 selon les premier, deuxième et troisième modes de réalisation, comprend également :

un support d'isolant électrique 48 séparant la paroi de délimitation de la chambre de vapeur 42 de la couche d'isolant électrique 34. Le support d'isolation électrique 48 comprend une face interne 480 délimitant la première partie 442 de la chambre de vapeur 44, selon la direction longitudinale L, à travers le support d'isolation électrique 48.

The cooling block 40 of each power module 10 according to the first, second and third embodiments also comprises:

an electrically insulating support 48 separating the delimiting wall of the steam chamber 42 from the electrically insulating layer 34. The electrically insulating support 48 comprises an internal face 480 delimiting the first part 442 of the steam chamber 44, in the longitudinal direction L, through the electrically insulating support 48.

un bloc de refroidissement de liquide 50, comprenant un corps de refroidissement 52 et un canal de refroidissement 54, à travers lequel circule le liquide de refroidissement, et
un fluide électrique isolant dans la chambre à vapeur 44, le fluide électrique isolant étant dans un état liquide ou gazeux.

a liquid cooling block 50, comprising a cooling body 52 and a cooling channel 54, through which the cooling liquid circulates, and
an insulating electrical fluid in the vapor chamber 44, the insulating electrical fluid being in a liquid or gaseous state.

Chaque puce de puissance 20 correspond à un composant électrique formant la source de chaleur du module de puissance 10, tel qu'un commutateur électronique de puissance ou un processeur ou une DEL.Each power chip 20 corresponds to an electrical component forming the heat source of the power module 10, such as a power electronic switch or a processor or an LED.

Le contact entre la ou les puces de puissance 20 et la face externe 324 de la couche de connexion électrique 32 du substrat 30, délimite une surface de contact sur la face externe 324 d'une zone de contact thermique de la couche de connexion électrique 32. La zone de contact thermique de la couche de connexion électrique 32 s'étend depuis cette surface de contact de la face externe 324 jusqu'à au moins une partie de la surface d'évaporation 322V en faisant saillie verticalement de cette surface de contact. Cette zone de contact thermique s'étend, dans la direction longitudinale L, sur une longueur L10 représentée sur les figures 2 et 3 (mais est également délimitée par une longueur dans la direction transversale T non représentée.The contact between the power chip(s) 20 and the external face 324 of the electrical connection layer 32 of the substrate 30 delimits a contact surface on the external face 324 of a thermal contact zone of the electrical connection layer 32. The thermal contact zone of the electrical connection layer 32 extends from this contact surface of the external face 324 to at least a portion of the evaporation surface 322V by projecting vertically from this contact surface. This thermal contact zone extends, in the longitudinal direction L, over a length L10 shown in FIGS. 2 and 3 (but is also delimited by a length in the transverse direction T not shown.

Le substrat 30 correspond à un substrat en cuivre à liaison directe (DBC) fournissant les interconnexions pour former un circuit électrique. En particulier, la couche de connexion électrique 32 du substrat 30 comprend des traces 326 (représentées sur la ) maintenues en position sur la couche d'isolation électrique 34 du substrat 30 pour être connectées à différents connecteurs de la puce de puissance 20.The substrate 30 corresponds to a direct bond copper (DBC) substrate providing the interconnections to form an electrical circuit. In particular, the electrical connection layer 32 of the substrate 30 comprises traces 326 (shown in the ) held in position on the electrical insulation layer 34 of the substrate 30 to be connected to different connectors of the power chip 20.

La couche d'isolation électrique 34 du substrat 30 comprend une face interne 346 qui s'étend depuis la face de contact 344 de la couche d'isolation électrique 34, en contact avec la face interne 322 de la couche de connexion électrique 32, jusqu'à la face de chambre 342 de la couche d'isolation électrique 34. La face interne 346 délimite l'ouverture 46 formant une deuxième partie 444 de la chambre à vapeur 44.The electrically insulating layer 34 of the substrate 30 comprises an internal face 346 which extends from the contact face 344 of the electrically insulating layer 34, in contact with the internal face 322 of the electrical connection layer 32, to the chamber face 342 of the electrically insulating layer 34. The internal face 346 delimits the opening 46 forming a second part 444 of the vapor chamber 44.

La face de la chambre 342 de la couche d'isolation électrique 34 fait face à la face de condensation 424 de la paroi de délimitation de la chambre à vapeur 42 du bloc de refroidissement 40.The face of the chamber 342 of the electrical insulation layer 34 faces the condensation face 424 of the delimiting wall of the vapor chamber 42 of the cooling block 40.

La première partie 444 s'étend depuis la seconde partie 442 de la chambre à vapeur 44 et comprend une portion délimitée dans la direction verticale, entre la face de chambre 342 de la couche d'isolation électrique 34 et la face de condensation 424 de la paroi de délimitation de la chambre à vapeur 42.The first portion 444 extends from the second portion 442 of the vapor chamber 44 and includes a portion delimited in the vertical direction, between the chamber face 342 of the electrical insulation layer 34 and the condensation face 424 of the delimiting wall of the vapor chamber 42.

De préférence, la couche de connexion électrique 32 du substrat 30 est constituée d'un matériau thermiquement conducteur, tel que le cuivre, et la couche d'isolation électrique 34 du substrat 30 est constituée d'un matériau électriquement non conducteur, tel que la céramique.Preferably, the electrical connection layer 32 of the substrate 30 is made of a thermally conductive material, such as copper, and the electrical insulation layer 34 of the substrate 30 is made of an electrically non-conductive material, such as ceramic.

Le bloc de refroidissement 40 est conçu pour refroidir les composants électroniques, c'est-à-dire la puce de puissance 20 du module de puissance 10.The cooling block 40 is designed to cool the electronic components, i.e. the power chip 20 of the power module 10.

Selon un exemple illustré sur les figures 2 à 8, le corps de refroidissement 52 du bloc de refroidissement liquide 50 du bloc de refroidissement 4 comprend une pluralité de parties (seules deux sont représentées sur la ) dont une première partie 52A et une deuxième partie 52B formant entre elles le canal de refroidissement 54.According to an example illustrated in FIGS. 2 to 8, the cooling body 52 of the liquid cooling block 50 of the cooling block 4 comprises a plurality of parts (only two are shown in the ) of which a first part 52A and a second part 52B form between them the cooling channel 54.

La première partie 52A comprend une face de contact 524A en contact avec la paroi de délimitation de la chambre à vapeur 42 et une face interne 522A délimitant le canal de refroidissement 54 du bloc de refroidissement liquide 50.The first part 52A comprises a contact face 524A in contact with the delimiting wall of the vapor chamber 42 and an internal face 522A delimiting the cooling channel 54 of the liquid cooling block 50.

La deuxième partie 52B comprend une première face interne 522B en regard de la face interne 522A délimitant ensemble le canal de refroidissement 54 du bloc de refroidissement liquide 50, et une deuxième face interne 524B opposée à la face interne 522B de la deuxième partie 52B du corps de refroidissement 52.The second part 52B comprises a first internal face 522B facing the internal face 522A together delimiting the cooling channel 54 of the liquid cooling block 50, and a second internal face 524B opposite the internal face 522B of the second part 52B of the cooling body 52.

La première partie 52A et la paroi de délimitation de la chambre à vapeur 42 séparent le canal de refroidissement 54 de la chambre à vapeur 44.The first portion 52A and the steam chamber boundary wall 42 separate the cooling channel 54 from the steam chamber 44.

La chambre de vapeur 44 est une enceinte étanche au vide qui abrite l'isolant électrique. La première partie 442 de la chambre de vapeur 44 s'étend, dans une direction longitudinale L, sur une longueur L1, entre deux surfaces de la face interne 480 du support d'isolant électrique 48.The vapor chamber 44 is a vacuum-tight enclosure that houses the electrical insulator. The first portion 442 of the vapor chamber 44 extends, in a longitudinal direction L, over a length L1, between two surfaces of the inner face 480 of the electrical insulator support 48.

La face interne 480 du support d'isolant électrique 48 peut avoir une section circulaire, par exemple être cylindrique ou conique, ou elle peut avoir une section de polygone, par exemple rectangulaire, et être un polyèdre.The inner face 480 of the electrical insulator support 48 may have a circular section, for example being cylindrical or conical, or it may have a polygon section, for example rectangular, and be a polyhedron.

L'ouverture 46 formant la deuxième partie 444 de la chambre de vapeur 44 est délimitée, dans la direction longitudinale L, entre deux surfaces de la face interne 346 de la couche d'isolant électrique 34 du substrat 30, selon une longueur L2.The opening 46 forming the second part 444 of the vapor chamber 44 is delimited, in the longitudinal direction L, between two surfaces of the internal face 346 of the electrical insulating layer 34 of the substrate 30, along a length L2.

En outre, la longueur L2 de l'ouverture 46 est égale ou supérieure à la longueur L10 de la surface de contact entre la ou les puces de puissance 20 et la face externe 324 de la couche de connexion électronique 32 du substrat 30.Furthermore, the length L2 of the opening 46 is equal to or greater than the length L10 of the contact surface between the power chip(s) 20 and the external face 324 of the electronic connection layer 32 of the substrate 30.

Par conséquent, la zone de contact thermique comprend au moins une partie de la surface d'évaporation 322V de la face interne 322 de la couche de connexion électrique 32, correspond à la partie chauffante du substrat 30, est directement en contact avec la première partie 442 de la chambre à vapeur 44. La longueur L1 de la première partie 442 de la chambre de vapeur 44 est supérieure à la longueur L2 de la seconde partie 442 de la chambre de vapeur 44 pour fournir une grande chambre de vapeur 44.Therefore, the thermal contact area comprises at least a portion of the evaporation surface 322V of the inner face 322 of the electrical connection layer 32, corresponds to the heating portion of the substrate 30, is directly in contact with the first portion 442 of the vapor chamber 44. The length L1 of the first portion 442 of the vapor chamber 44 is greater than the length L2 of the second portion 442 of the vapor chamber 44 to provide a large vapor chamber 44.

L'ouverture 46 peut avoir une section circulaire, par exemple être cylindrique ou conique, ou elle peut avoir une section d'un polygone, par exemple rectangulaire, et être un polyèdre.The opening 46 may have a circular section, for example being cylindrical or conical, or it may have a section of a polygon, for example rectangular, and be a polyhedron.

La face interne 480 du support d'isolant électrique 48 du bloc de refroidissement 40 s'étend de la face de chambre 342 de la couche d'isolant électrique 34 à la face de condensation 424 de la paroi de délimitation de la chambre à vapeur 42.The inner face 480 of the electrical insulating support 48 of the cooling block 40 extends from the chamber face 342 of the electrical insulating layer 34 to the condensation face 424 of the delimiting wall of the steam chamber 42.

Avantageusement, la paroi de délimitation de la chambre à vapeur 42 du bloc de refroidissement 40 est constituée d'un matériau thermiquement conducteur, tel que le cuivre et le support d'isolant électrique 48 est constitué d'un matériau électriquement non conducteur, tel que le plastique. De préférence, le fluide électrique isolant est un liquide de refroidissement tel que de l'eau traitée sans aucune impureté qui est de l'eau électriquement non conductrice.Advantageously, the delimiting wall of the vapor chamber 42 of the cooling block 40 is made of a thermally conductive material, such as copper and the electrical insulating support 48 is made of an electrically non-conductive material, such as plastic. Preferably, the electrically insulating fluid is a coolant such as treated water without any impurities which is electrically non-conductive water.

Selon les premier et deuxième modes de réalisation illustrés sur les figures 1 à 6, chaque puce de puissance 20 est située sous le substrat 30 qui est situé sous le bloc de refroidissement 40 du module de puissance 10, selon la direction verticale V. Ainsi, le fluide électrique isolant, à l'état liquide, est distribué, par gravité, vers la face évaporatrice 322V de la couche de connexion électrique 32 pour refroidir la puce de puissance 20 du module de puissance 10.According to the first and second embodiments illustrated in FIGS. 1 to 6, each power chip 20 is located under the substrate 30 which is located under the cooling block 40 of the power module 10, in the vertical direction V. Thus, the insulating electrical fluid, in the liquid state, is distributed, by gravity, towards the evaporator face 322V of the electrical connection layer 32 to cool the power chip 20 of the power module 10.

La illustre un module de puissance 10 selon un premier exemple de réalisation comprenant une seule puce de puissance 20. La longueur L10 de la surface de contact entre la puce de puissance 20 et la face externe 324 de la couche de connexion électronique 32 du substrat 30 correspond à la longueur de la seule puce de puissance 20 du module de puissance 10. En outre, la surface d'évaporation 322V de la face interne 322 de la couche de connexion électrique 32 du substrat 30 est opposée à la seule puce de puissance 20. En particulier, la surface d'évaporation 322V correspond à la surface (de la face interne 322 ) de la zone de contact thermique de la couche de connexion électronique 32. Par conséquent, la longueur L2 est égale à la longueur L10.There illustrates a power module 10 according to a first exemplary embodiment comprising a single power chip 20. The length L10 of the contact surface between the power chip 20 and the external face 324 of the electronic connection layer 32 of the substrate 30 corresponds to the length of the single power chip 20 of the power module 10. Furthermore, the evaporation surface 322V of the internal face 322 of the electrical connection layer 32 of the substrate 30 is opposite the single power chip 20. In particular, the evaporation surface 322V corresponds to the surface (of the internal face 322) of the thermal contact zone of the electronic connection layer 32. Consequently, the length L2 is equal to the length L10.

La montre un module de puissance 10 selon un deuxième exemple du premier mode de réalisation. Cet exemple diffère du premier exemple du premier mode de réalisation en ce qu'il comprend trois puces de puissance 20 et une plaque isolante supplémentaire 45.There shows a power module 10 according to a second example of the first embodiment. This example differs from the first example of the first embodiment in that it comprises three power chips 20 and an additional insulating plate 45.

Les trois puces de puissance 20 sont disposées dans cet exemple longitudinalement sur la face externe 324 de la couche de connexion électrique 32 du substrat de sorte qu'une puce de puissance centrale 20 est située entre deux puces de puissance latérales 20 séparées l'une de l'autre par un espace. Ainsi, la longueur L10 de la surface de contact entre les puces de puissance 20 et la face externe 324 de la couche de connexion électronique 32 du substrat 30 correspond à l'addition de la longueur des trois puces de puissance 20 et de la longueur des espaces qui les séparent. Par ailleurs, la surface d'évaporation 322V de la face interne 322 de la couche de connexion électrique 32 du substrat 30 est en regard des trois puces de puissance 20. En particulier, la surface d'évaporation 322V est supérieure à, mais comprend, la surface (de la face interne 322) de la zone de contact thermique de la couche de connexion électronique 32. En conséquence, la longueur L2 est supérieure à la longueur L10.The three power chips 20 are arranged in this example longitudinally on the external face 324 of the electrical connection layer 32 of the substrate such that a central power chip 20 is located between two lateral power chips 20 separated from each other by a space. Thus, the length L10 of the contact surface between the power chips 20 and the external face 324 of the electronic connection layer 32 of the substrate 30 corresponds to the addition of the length of the three power chips 20 and the length of the spaces separating them. Furthermore, the evaporation surface 322V of the internal face 322 of the electrical connection layer 32 of the substrate 30 faces the three power chips 20. In particular, the evaporation surface 322V is greater than, but includes, the surface (of the internal face 322) of the thermal contact zone of the electronic connection layer 32. Consequently, the length L2 is greater than the length L10.

La plaque isolante supplémentaire 45 est disposée sur la face de condensation 424 de la paroi de délimitation de la chambre à vapeur 42, en face de l'ouverture 46 du bloc de refroidissement 40. Dans le cas où la paroi de délimitation de la chambre à vapeur 42 est en contact direct avec le corps de refroidissement 52 du bloc de refroidissement de liquide 50, l'utilisation d'une plaque isolante supplémentaire 45 permet d'éviter la formation d'arcs électriques entre la couche de connexion électrique 32 du substrat 30 et la paroi de délimitation de la chambre à vapeur 42 du bloc de refroidissement 40. De préférence, la plaque isolante supplémentaire 45 a une épaisseur inférieure à l'épaisseur de la paroi de délimitation de la chambre à vapeur 42 et doit être aussi mince que possible. De plus, la plaque isolante supplémentaire 45 est faite d'un matériau électriquement non-conducteur, tel que la céramique.The additional insulating plate 45 is arranged on the condensation face 424 of the vapor chamber boundary wall 42, opposite the opening 46 of the cooling block 40. In the case where the vapor chamber boundary wall 42 is in direct contact with the cooling body 52 of the liquid cooling block 50, the use of an additional insulating plate 45 makes it possible to avoid the formation of electric arcs between the electrical connection layer 32 of the substrate 30 and the vapor chamber boundary wall 42 of the cooling block 40. Preferably, the additional insulating plate 45 has a thickness less than the thickness of the vapor chamber boundary wall 42 and should be as thin as possible. In addition, the additional insulating plate 45 is made of an electrically non-conductive material, such as ceramic.

La montre un module de puissance 10 selon un troisième exemple du premier mode de réalisation. Cet exemple diffère du deuxième exemple du premier mode de réalisation en ce que la plaque isolante supplémentaire 45 de la paroi de délimitation de la chambre à vapeur 42 du bloc de refroidissement 40 recouvre complètement la face de condensation 424 de la paroi de délimitation de la chambre à vapeur 42. Cette figure montre également les traces 326 de la couche de connexion électrique 32 du substrat 30.There shows a power module 10 according to a third example of the first embodiment. This example differs from the second example of the first embodiment in that the additional insulating plate 45 of the vapor chamber boundary wall 42 of the cooling block 40 completely covers the condensation face 424 of the vapor chamber boundary wall 42. This figure also shows the traces 326 of the electrical connection layer 32 of the substrate 30.

La montre un module de puissance 10 selon un quatrième exemple du premier mode de réalisation. Cet exemple diffère du premier exemple du premier mode de réalisation en ce que le support d'isolation électrique 48 du bloc de refroidissement 40 présente une architecture spécifique dans laquelle il enveloppe la couche de connexion électrique 32 et la couche d'isolation électrique 34 du substrat 30, et le corps de refroidissement 52 du bloc de refroidissement liquide 50.Le support d'isolation électrique 48 comprend des encoches 482, 484, 486 pour l'assemblage du substrat 30 et du bloc de refroidissement 50 avec le support d'isolation électrique 48. En particulier, le support d'isolation électrique 48 comprend une première encoche 482 destinée à recevoir la couche de connexion électrique 32 du substrat 30, une deuxième encoche 484 destinée à recevoir la couche d'isolation électrique 34 du substrat 30 et une troisième encoche 486 destinée à recevoir la première partie 522A du corps de refroidissement 52 du bloc de refroidissement liquide 52. Dans cet exemple, la face interne 480 du support d'isolant électrique 48 s'étend de la deuxième encoche 484, en contact avec la face de chambre 342 de la couche d'isolant électrique 34, à la troisième encoche 486, en contact avec la face de condensation 424 de la paroi de délimitation de la chambre à vapeur 42.There shows a power module 10 according to a fourth example of the first embodiment. This example differs from the first example of the first embodiment in that the electrical insulation support 48 of the cooling block 40 has a specific architecture in which it envelops the electrical connection layer 32 and the electrical insulation layer 34 of the substrate 30, and the cooling body 52 of the liquid cooling block 50. The electrical insulation support 48 comprises notches 482, 484, 486 for assembling the substrate 30 and the cooling block 50 with the electrical insulation support 48. In particular, the electrical insulation support 48 comprises a first notch 482 intended to receive the electrical connection layer 32 of the substrate 30, a second notch 484 intended to receive the electrical insulation layer 34 of the substrate 30 and a third notch 486 intended to receive the first portion 522A of the cooling body 52 of the liquid cooling block 52. In this example, the face internal 480 of the electrical insulating support 48 extends from the second notch 484, in contact with the chamber face 342 of the electrical insulating layer 34, to the third notch 486, in contact with the condensation face 424 of the delimiting wall of the vapor chamber 42.

En outre, ce quatrième exemple diffère du premier exemple du premier mode de réalisation en ce que la première partie 52A du corps de refroidissement 52 du bloc de refroidissement liquide 50 présente une architecture spécifique dans laquelle elle enveloppe la paroi de délimitation de la chambre à vapeur 42 du bloc de refroidissement 40. La première partie 52A du corps de refroidissement 52 du bloc de refroidissement liquide 50 comprend une encoche 526 pour l'assemblage de la paroi de délimitation de la chambre à vapeur 42 du bloc de refroidissement 40 avec la première partie 52A du corps de refroidissement 52. En particulier, l'encoche 526 de la première partie 52A du corps de refroidissement 52 est destinée à recevoir la paroi de délimitation de la chambre à vapeur 42 sur toute sa longueur, selon la direction longitudinale L.Furthermore, this fourth example differs from the first example of the first embodiment in that the first portion 52A of the cooling body 52 of the liquid cooling block 50 has a specific architecture in which it envelops the delimiting wall of the vapor chamber 42 of the cooling block 40. The first portion 52A of the cooling body 52 of the liquid cooling block 50 comprises a notch 526 for assembling the delimiting wall of the vapor chamber 42 of the cooling block 40 with the first portion 52A of the cooling body 52. In particular, the notch 526 of the first portion 52A of the cooling body 52 is intended to receive the delimiting wall of the vapor chamber 42 over its entire length, in the longitudinal direction L.

La montre un module de puissance 10 selon un deuxième mode de réalisation. Ce mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation en ce que la paroi de délimitation de la chambre à vapeur 42 et le support d'isolation électrique 48 du bloc de refroidissement 4 forment un ensemble monobloc 428, en une seule et même partie, dans lequel il enveloppe l'ensemble du substrat 30. Avantageusement, l'ensemble monobloc 428 est réalisé dans un matériau électriquement non conducteur, tel que du plastique.There shows a power module 10 according to a second embodiment. This embodiment differs from the first embodiment in that the delimiting wall of the vapor chamber 42 and the electrical insulation support 48 of the cooling block 4 form a single-piece assembly 428, in a single part, in which it envelops the entire substrate 30. Advantageously, the single-piece assembly 428 is made of an electrically non-conductive material, such as plastic.

Les figures 7 et 8 montrent un module de puissance 10 selon un troisième mode de réalisation. Cette réalisation diffère de la deuxième réalisation en ce que la puce de puissance 20 est située au-dessus du substrat 30 qui est situé au-dessus du bloc de refroidissement 40 du module de puissance 10, selon la direction verticale V. Ainsi, le module de puissance 10 comprend un matériau à mèche 49 disposé dans la chambre de vapeur 44 du bloc de refroidissement 40. Le matériau à mèche 49 est destiné à absorber le fluide électrique isolant, à l'état liquide, et à le distribuer, par capillarité, vers la face évaporatrice 322V de la couche de connexion électrique 32 pour refroidir la puce de puissance 20 du module de puissance 10.Figures 7 and 8 show a power module 10 according to a third embodiment. This embodiment differs from the second embodiment in that the power chip 20 is located above the substrate 30 which is located above the cooling block 40 of the power module 10, in the vertical direction V. Thus, the power module 10 comprises a wick material 49 arranged in the vapor chamber 44 of the cooling block 40. The wick material 49 is intended to absorb the insulating electrical fluid, in the liquid state, and to distribute it, by capillarity, towards the evaporator face 322V of the electrical connection layer 32 to cool the power chip 20 of the power module 10.

La montre un premier exemple du troisième mode de réalisation dans lequel le matériau de mèche 49 remplit les première et deuxième parties 442, 444 de la chambre à vapeur 44 du bloc de refroidissement 40.There shows a first example of the third embodiment in which the wick material 49 fills the first and second portions 442, 444 of the vapor chamber 44 of the cooling block 40.

La montre un deuxième exemple du troisième mode de réalisation dans lequel le matériau de mèche 49 recouvre toutes les faces à l'intérieur de la chambre à vapeur 44 du bloc de refroidissement 40. En particulier, le matériau de mèche 49 est un revêtement qui recouvre la surface d'évaporation 322V de la face interne 322 de la couche de connexion électrique 32, la face de la chambre 342 et la face interne 346 de la couche d'isolation électrique 34 du substrat 30, la face de condensation 424 de la paroi de délimitation de vapeur 42, et la face interne 480 du support d'isolation électrique 48 du bloc de refroidissement 40.There shows a second example of the third embodiment in which the wicking material 49 covers all faces inside the vapor chamber 44 of the cooling block 40. In particular, the wicking material 49 is a coating that covers the evaporation surface 322V of the inner face 322 of the electrical connection layer 32, the chamber face 342 and the inner face 346 of the electrical insulation layer 34 of the substrate 30, the condensation face 424 of the vapor boundary wall 42, and the inner face 480 of the electrical insulation support 48 of the cooling block 40.

Le matériau de mèche 49 utilisé dans le troisième mode de réalisation peut être constitué de cuivre fritté, de matériau fibreux, de poudre de plastique fritté et de matériaux de type microfibres. En outre, le cuivre étant un matériau thermoconducteur, il ne peut pas être utilisé dans le matériau de la mèche 49 lorsque la chambre à vapeur 44 du bloc de refroidissement 40 doit être isolée électriquement.The wick material 49 used in the third embodiment may be made of sintered copper, fibrous material, sintered plastic powder, and microfiber materials. Furthermore, since copper is a thermally conductive material, it cannot be used in the wick material 49 when the vapor chamber 44 of the cooling block 40 is to be electrically insulated.

Selon un autre mode de réalisation, non représenté sur les figures, le corps de refroidissement 52 du bloc de refroidissement liquide 50 comprend des ailettes s'étendant dans le canal de refroidissement 54 du bloc de refroidissement liquide 50 pour refroidir le fluide électrique isolant du canal de refroidissement 54.According to another embodiment, not shown in the figures, the cooling body 52 of the liquid cooling block 50 comprises fins extending into the cooling channel 54 of the liquid cooling block 50 to cool the insulating electrical fluid of the cooling channel 54.

Le procédé de refroidissement de la puce de puissance 20 du module de puissance 10 selon l'invention comprend les étapes suivantes :

diffusion de chaleur depuis chaque puce de puissance 20 vers le substrat 30 du module de puissance 10, en particulier dans la zone de contact thermique de la couche de connexion électrique 32,
augmenter la température du fluide électrique isolant logé dans la chambre à vapeur 44, à l'état liquide, dans la seconde partie 444 de la chambre à vapeur 44, jusqu'à ce qu'une partie du fluide électrique isolant à l'état liquide passe à l'état gazeux,
refroidir le fluide électrique isolant dans la première partie 442 de la chambre à vapeur 44, à l'état gazeux, par le bloc de refroidissement de liquide 50, jusqu'à ce qu'une partie du fluide électrique isolant à l'état gazeux passe à l'état liquide,
distribuer le fluide électrique isolant, à l'état liquide, par gravité (si chaque puce de puissance 20 est située en dessous) ou par capillarité (si chaque puce de puissance 20 est située au-dessus et si un matériau de mèche 49 est disposé dans la chambre de vapeur 44), vers la face d'évaporation 322V de la couche de connexion électrique 32 pour refroidir la puce de puissance 20 du module de puissance 10,

The method for cooling the power chip 20 of the power module 10 according to the invention comprises the following steps:

heat diffusion from each power chip 20 to the substrate 30 of the power module 10, in particular in the thermal contact zone of the electrical connection layer 32,
increasing the temperature of the insulating electrical fluid housed in the vapor chamber 44, in the liquid state, in the second part 444 of the vapor chamber 44, until a portion of the insulating electrical fluid in the liquid state changes to the gaseous state,
cooling the insulating electrical fluid in the first part 442 of the vapor chamber 44, in the gaseous state, by the liquid cooling block 50, until a portion of the insulating electrical fluid in the gaseous state changes to the liquid state,
distributing the insulating electrical fluid, in the liquid state, by gravity (if each power chip 20 is located below) or by capillarity (if each power chip 20 is located above and if a wicking material 49 is arranged in the vapor chamber 44), towards the evaporation face 322V of the electrical connection layer 32 to cool the power chip 20 of the power module 10,

Un tel module de puissance 10 selon l'invention permet d'améliorer le transfert thermique de la puce de puissance 20 vers le bloc de refroidissement 40 et d'optimiser le refroidissement de la puce de puissance 20. En outre, une telle architecture du module de puissance 10, grâce à la présence de l'ouverture 46 formée dans la couche d'isolant électrique 34 en regard de la puce de puissance 20, et à l'utilisation d'un fluide non conducteur tel que de l'eau pure, le rapport du transfert thermique sur la conductivité thermique effective du module de puissance 10 est amélioré.Such a power module 10 according to the invention makes it possible to improve the heat transfer from the power chip 20 to the cooling block 40 and to optimize the cooling of the power chip 20. Furthermore, such an architecture of the power module 10, thanks to the presence of the opening 46 formed in the electrical insulating layer 34 facing the power chip 20, and to the use of a non-conductive fluid such as pure water, the ratio of the heat transfer to the effective thermal conductivity of the power module 10 is improved.

Claims

Power module (10) comprising:

at least one power chip (20), and
a substrate (30) comprising at least one:
- electrical connection layer (32) connected to the power chip (20) to power it and comprising an internal face (322) opposite the power chip (20), and
- electrical insulation layer (34) disposed against the inner face (322) of the electrical connection layer (32) and comprising a chamber face (342) opposite the electrical connection layer (32),
characterized in that it comprises a cooling block (40) comprising:
- a steam chamber boundary wall (42) comprising a condensation face (424),
- a vapor chamber (44) comprising a first portion (442) delimited, in a first direction, between the condensation face (424) of the delimiting wall of the vapor chamber (42) and the chamber face (342) of the electrical insulation layer (34),
- an opening (46) forming a second portion (444) of the vapor chamber (44), extending from the first portion (442) through the electrical insulation layer (34) to an evaporation surface (322V) of the inner face (322) of the electrical connection layer (32) opposite the power chip (20),
- an electrically insulating support (48) separating the vapor chamber boundary wall (42) from the electrically insulating layer (34), comprising an inner face (480) delimiting the first portion (442) of the vapor chamber (44), in a second direction, through the electrically insulating support (48),
- a liquid cooling block (50), comprising a cooling body (52) and a cooling channel (54), through which a cooling liquid circulates, and
- an insulating electrical fluid in the steam chamber (44).

Power module (10) according to claim 1, characterized in that the delimiting wall of the vapor chamber (42) of the cooling block (40) is made of copper, as is the electrical connection layer (32) of the substrate (30).

Power module (10) according to any one of claims 1 to 2, characterized in that the cooling block (40) comprises an additional insulating plate (45) arranged on a condensation face (424) of the delimiting wall (42) of the vapor chamber, opposite the opening (46) of the cooling block (40).

Power module (10) according to claim 3, characterized in that an additional insulating plate (45) of the vapor chamber boundary wall (42) of the cooling block (40) completely covers the condensation face (424) of the vapor chamber boundary wall (42) and has a thickness less than the thickness of the vapor chamber boundary wall (42).

Power module (10) according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the insulating electrical fluid is pure water.

Power module (10) according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the cooling body (52) of the liquid cooling block (50) is made of aluminum.

Power module (10) according to claim 1 to 6, characterized in that the cooling body (52) of the liquid cooling block (50) comprises fins extending outwardly to be cooled by the air surrounding the liquid cooling block (50).

Power module (10) according to claims 1 to 7, characterized in that it comprises a wick material (49) arranged in the vapor chamber (44) of the cooling block (40).

Power module (10) according to claim 8, characterized in that the wick material (49) fills the first and second parts (442, 444) of the vapor chamber (44) of the cooling block (40).

Power module (10) according to claim 8, characterized in that the wick material (49) covers all faces (322V, 342, 346, 424, 480) inside the vapor chamber (44) of the cooling block (40).