Brevet FR2177528A1 — publié le 19731109

La présente invention se rapporte à des dissipateurs de chaleur pour dispositifs électroniques et est en particulier applicable à des semi-conducteurs. Les dispositifs semi-conducteurs sont de plus en plus utilisés à l'heure actuelle. Des composants semi-conducteurs tels que des circuits intégrés ont de petites dimensions mais ils sont souvent conçus pour conduire de grandes quantités de courant. L'un des problèmes essentiels concernant de tels circuits semiconducteurs de grande puissance consiste dans la dissipation des quantités relativement grandes de chaleur qu'ils engendrent. Cela a conduit à utiliser des dissipateurs de chaleur, souvent appelés évacuateurs de chaleur. Pour obtenir une bonne stabilité thermique, les évacuateurs de chaleur employés dans les réalisations connues sont si grands et si lourds qu ils contre-balancent parfois les avantages d'espace et de poids obtenus en utilisant des semi-conducteurs. Des circuits intégrés du type considéré sont généralement fabriqués sur une seule pastille d'une matière semi-conductrice, des fils externes étant brasés ou fixés autrement de façon à se trouver en relation électriquement conductrice sur des points particuliers du circuit. Un procédé de fabrication récemment mis au point utilise un substrat en silicium qui est déposé sur une surface d'une bande métallique allongée. Plusieurs circuits intégrés monolithiques peuvent être fabriqués de cette manière en étant répartis le long d'une seule bande métallique, la bande étant ensuite découpée entre des circuits consécutifs. Le substrat est ensuite enfermé dans une enveloppe diélectrique formée par moulage périphérique, la bande métallique traversant l'enveiop- pe sur des côtés opposés de celle-ci et étant agencée pour servir de pattes thermiquement conductrices.L'enveloppe peut astre en matière plastique ou en matière céramique ou bien en toute autre matière diélectrique appropriée. Il n'est pas nécessaire dtuti- liser une enveloppe métallique. Le corps a généralement une forme rectangulaire et plusieurs fils métalliques externes sortent en général de ladite enveloppe. Dans les réalisations connues, le montage de tels dispositifs semi-conducteurs sur une structure d'évacuation de chaleur a présenté des difficultés. Habituellement l'évacuateur de chaleur est fixé sur le dispositif par brasage ou par un procédé similaire. Cette opération prend un temps considérable et nécessite un équipement motteux et, dans certains cas, l'évacuateur de chaleur ne peut pas être réutilisé si le dispositif s'avère défectueux et doit être remplacé. Dans le cas de dispositifs semi-conducteurs placés dans des enveloppes en matière plastique et comportant une surface métallique exposée, la fixation sur l'évacuateur de chaleur pose des problèmes supplémentaires. Ainsi, lorsqu'on utilise une vis,il peut être nécessaire d'employer un outil à limitation de couple de façon que la vis soit suffisamment serrée pour empecher un desserrage et un déplacement mais non excessivement serrée, car il se produirait une déchirure ou une rupture de l'enveloppe en matière plastique. En outre, qu'on utilise ou non une vis, la disposition de montage particulière doit Aetre définie avec soin en fonction de la conception et des impératifs d'encombrement du circuit final. L'invention/5essentiellement pour objet un dissipateur de chaleur perfectionné pour un dispositif semi-conducteur. Plus particulièrement l'invention a pour objet des dissipateurs de chaleur qui sont d'un poids léger, de dimensions réduites et d'un faible prix de revient. L'invention a en outre pour objet un dissipateur de chaleur agencé pour être utilisé avec un composant semi-conducteur enveloppé dans une matière plastique et comportant des pattes thermiquement conductrices sortant de l'enveloppe, le dissipateur permettant d'établir un excellent contact thermiquement conducteur avec les pattes. L'invention a encore pour objet un dissipateur de chaleur du type décrit, utilisable avec des dispositifs semi-conducteurs de manière que ceux-ci puissent être fixés solidement et de façon amovible sur le dissipateur dans une position relative où la conduction de la chaleur est bonne, ceci d'une manière simple sans utiliser d'outils. Dans ce but, le dissipateur de chaleur suivant l'invention comprend un corps métallique en tôle emboutie qui est pourvu d'une partie de base et de deux ailes orientées dans des directions divergentes. Deux paires de doigts placées dans des positions opposées sont formées par poinçonnage dans la tôle métallique et sont recourbées vers le haut dans une direction sensiblement opposée à celle des ailes. Le corps semi-conductelli est agencé pour être emboîté ou pincé dans une zone adjacente à la partie de base du dissipateur entre une paire desdits doigts qui agissent comme des moyens d'accrochage élastique. Dans cette position, l'autre paire de doigts suit le contour des pattes thermiquement conductrices opposées qui sont disposées entre les doigts en étant appliquées en contact thermiquement conducteur contre ceux-ci.Les deux ailes sont pourvues de plusieurs parties en forme de bandes entaillées et décalées de manière à assurer une meilleure dissipation de chaleur par convection. D'autres avantages et caractéristiques de l'inventionseront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels Figure 1 est une vue en élévation latérale du dissipateur suivant l'invention représenté en position de travail par rap port à un circuit intégré placé dans une enveloppe en matière plastique , (et qui sera appelé dans la suite "composant encap su16"); Figure 2 est une vue en élévation de face du dissipateur de chaleur et du composant encapsulé de la figure 1; Figure 3 est une vue en plan par dessous du dissipateur de chaleur et du composant encapsulé de la figure 1; Figure 4 est une coupe partielle faite suivant la ligne 4-4 de la figure 1 Figure 5 est une coupe partielle faite suivant la ligne 5-5 de la figure 2;; Figure 6 est une vue en plan du flan métallique utilisé pour la fabrication du dissipateur de chaleur suivant l'inventinn, Sur les dessins,et plus particulièrement sur les figures 1 à5, on a représenté un dispositif sami-conducteur désigné dans son ensemble par la référence 10 et comportant un corps 12 placé dans une enveloppe en matière plastique et quatre fils conducteurs 14 partant d'extrémités opposées du corps. Dans l'exemple représenté, le dispositif 10 est un circuit intégré semi-conducteur monolithique, les fils 14 étant reliés électriquement à des points sélectionnés du circuit. Cependant il est à noter que le dispositif 10 peut être constitué par tout dispositif semi-conducteur encapsulé pourvu de tout nombre approprié de fils extérieurs partant du corps encapsulé 12. Le corps encapsulé 12 est rectangulaire et assez petit et il a par exemple une longueur de 18 mm, une largeur de 9 mm et une épaisseur de 6 mm. Néanmoins il est capable de conduire de grandes quantités de courant. Comme le montrent les figures 4 et 5, le circuit est formé sur une petite pastille 16 de matière semi-conductrice dispcsée sur une bande métallique 18, les connexions entre les fils externes 14 et la pastille 16 étant représentées schématiquement par is lignes 19 sur la figure 4. La bande métallique 18 traverse le corps encapsulé 12 en matière plastique sur des côtés opposés et ses deux parties dépassantes sont recourbées vers le bas, comme indiqué sur la figure 5, pour former deux pattes d'évacuation de chaleur 20 et 22 en forme de L. Les pattes 20 et 22 sont destinées à être refroidies en vue de maintenir la température de fonctionnement du dispositif en dessous de la température maximale admissible de jonction. Comme indiqué sur les figures 1 à 4, le dissipateur de chaleur suivant l'invention comprend une partie en tôle emboutie désignée par 24. Cette partie se compose d'une base 26 et de deux ailes désignées par 28 et 30. Les ailes 28 et 30 sont de préférence légèrement convergentes sur une petite distance dans une zone voisine de la base en 32 et 34 puis elles divergent d'un angle d'environ 300 par rapport à la verticale en 36 et 38. Les grandes parties divergentes 36 et 38 sont pourvues d'un certain nombre de bandes parallèles 40 découpées et décalées vers l'extérieur à partir du plan de la tôle en vue d'augmenter la dissipation de chaleur par convection. Comme le montrent les figures 2 et 3, deux paires de doigts placées en opposition sont découpées dans le corps en tôle métallique et sont recourbées vers le bas à partir de la base 26. Les doigts de la première paire, désignés par 42 et 44, font complue tement saillie de la base 26 et sont agencés pour servir d'éléments d'accrochage élastique en vue de recevoir de façon amovible le corps semi-conducteur encapsulé 12. Dans ce but, les doigts 42 et 44 font aussitôt saillie de la base 26 dans des directions légèrement convergentes, comme indiqué en 46 et 48, et leurs extrémités inférieures libres sont recourbées vers l'extérieur afin de former des pattes de guidage 50 et 52 facilitant l'introduction du corps semi-conducteur 12.Les doigts 54 et 56 de la seconde paire sont formés dans les ailes 28 et 30 et ils,s'éten- dent vers le bas à partir de la base 26 dans des plans sensiblement perpendiculaires à ceux des doigts 46 et 48. Comme le montre la figure 5, les doigts 54 et 56 s'étendent vers le bas en 58 et 60 en étant espacés d'une distance correspondant à la largeur du corps semi-conducteur 12 et ils sont ensuite recourbés d'abord vers l'extérieur puis vers l'intérieur de façon à former des parties 62 et 64 profilées en L et agencées pour épouser étroitement les pattes d'évacuation de chaleur 20 et 22 en forme de L en établissant avec celles-ci un contact thermiquement conducteur.Comme le montrent les figures 2 et 3, deux fils extérieurs 14 partent du corps 12 de chaque côté des doigts 54 et 56 et sont également recourbés vers le bas en vue de faciliter leur introduction dans une plaquette de circuit imprimé. En considérant le dissipateur de façon plus détaillée, la base 26 est de préférence rectangulaire et les ailes 28 et 30 sont de préférence carrées et ont sensiblement la même largeur que la base 26. Bien que le dispositif ne soit pas limité à des dimensions particulieres, la base 26 d'un exemple de réalisation préféré a des dimensions de 38 x 9 mm tandis que les ailes ont une forme carrée de 38 mm de côté. La tôle métallique a une épaisseur de 0,75 mm mais le même élément peut Aetre fabriqué de façon satisfaisante à partir de tôles d'épaisseur différente. Les bandes découpées 40 sont décalées par rapport aux ailes d'une distance d'environ 2,5 mm. La matière constituant la tôle est de préférence du cuivre au béryllium mais elle peut être formée de toute autre matière métallique présentant de bonnes propriétés de conduction de chaleur comme l'aluminium.La tôle métallique peut être anodisée ou revêtue d'une peinture noire donnant un fini mat de façon à améliorer la conduction de chaleur mais cette possibilité est normalement laissée au choix de l'utilisateur. Le dissipateur de chaleur des figures 1 à 4 peut être avantageusement fabriqué à partir d'une seule tôle métallique de forme rectangulaire comme indiqué sur la fifre 6. On a représenté des lignes de coupe parallèles 66 représentant les bords des bandes excisées 40 tandis que des lignes de coupe 68 et 70 représentent les profils des doigts 42 et 44 et que des lignes de coupe 72 et 74 représentent les profils des doigts 54 et 56. Pour former le dissipateur de la figure 1, les doigts 42 et 44 sont recourbés vers le bas à partir du plan de la tôle le long des lignes de pliage 76 et g8 puis vers l'extérieur dans une direction divergente le long des lignes de pliage 80 et 82 de façon à former respectivement les pattes de gUidage 50 et 52. Les doigts 54 et 56 sont également recourbés vers le bas à partir du plan de la tôle et le long des lignes de pliage 81 et 83 puis ils sont recourbés au profil montré en coupe sur la figure 5 respectivement le long des lignes de pliage 84,86 et 88 ,90. Enfin les deux ailes 28 et 30 sont recourbées vers le haut le long des lignes 92 et 94 puis dans une direction divergente et vers l'extérieur le long des lignes 96 et 98, les bandes 40 étant excisées et décalées par rapport aux parties-d'ailes comme indiqué sur la figure 1. Après introduction dans le dissipateur de chaleur à l'aide des doigts d ' emboStement élastique 42 et 44, le dispositif semiconducteur peut être relié électriquement à une plaquette à oir- cuit imprimé, Dans ce but, la plaquette est généralement pourvue d'une série de trous agencés pour recevoir des fils 14 qui sont fixés sur le côté inférieur de la plaquette de manière à établir une connexion électrique correcte par brasage oWbar une opération similaire. La plaquette est également pourvue de préférence d'encoches agencées pour recevoir des doigts 54 et 56 et des pattes d'évacuation de chaleur 20 et 22 en vue d'améliorer la stabilisation d'ensemble du dispositif. Le corps semi-conducteur est normalement maintenu appliqué contre l'évacuateur de chaleur à l'aide des doigts d'emboitement élastique 42 et 44. Cependant dans certains cas, il peut être souhaitable de fixer de façon permanente les pattes d'évacuation de chaleur 20 et 22 sur les doigts 54 et 56 du dissipateur afin de fixer plus solidement le corps 12 sur l'évacuateur de chaleur 24 et d'améliorer la dissipation de chaleur par conduction depuis les pattes jusqu'au dissipateur. Dans ce but, les pattes 20 et 22 peuvent être brasées sur les doigts 54 et 56 après que le dispositif semi-conducteur a été embossé sur le dissipateur. Cependant dans ce cas , il est difficile de séparer le dispositif semiconducteur du dissipateur au cas où il doit être remplacé. Le dissipateur suivant l'invention est fourni complètement terminé au fabricant de circuits et il est seulement nécessaire d'embosser le composant dans le dissipateur et de fixer l'ensemble sur une plaquette à circuit imprimé de la manière précédemment décrite. Le distpataur est d'un pois léger et d'une structure compacte tout en étant capable de maintenir des composants semiconducteurs de puissance dans la gamme de températures requise A titre d'exemple purement illustratif, le dissipateur suivant l'invention peut être utilisé avec un régulateur de tension de type FA 264/ FA 265 fabriqué par la Société "General Electric Company" . Ce composant est un circuit intégré monolithique de grande puissance et capable de dissiper jusqu'à 5 Watts. La température de jonction maximale admissible pour ce dispositif est d'environ 1250C. L'équation générale de détermination du rendement nécessaire de l'évacuateur de chaleur est la suivante: #Tab-Air = (Tj max - TA) - #j - Tab X PD PD où TA = température ambiante Tj max = température de jonction maximale admissible (125 C) #j-Tab = résistance thermique jonction-patte (11 C/W) PD = dissipation d'énergie dans le circuit imprimé La dissipation maximale d'énergie est donnée par PD max = (Vin max - Vout min) X Iin max. où Vin est la tension d'entrée, Vout la tension de sortie et Iin l'intensité d'alimentation. Dans un cas typique , la valeur Vin max - V,out est égale à environ 8 volts et le courant d'entrée maximal est de 0,5 ampère pour une température ambiante maximale + 75 C. En rempla çant ces valeurs dans l'équation (1), le rendement nécessaire de l'évacuateur de chaleur est Tab - Air = (125-75) - 11x8x0,5 8 8 x 0,5 = 1,5 C/W. L'évacuateur de chaleur perfectionné suivant l'invention présente une capacité de dissipation de 100C/W. Ainsi le dissipateur suivant l'invention présente un rendement approprié pour maintenir un composant semi-conducteur de haute puissance en dessous de la température de jonction maximale admissible. On obtient ainsi suivant l'invention un dissipateur de chaleur d'un poids léger, dtun faible prix et utilisable avec des composants semi-conducteurs de grande puissance. Le dissipateur suivant l'invention peut être fabriqué facilement dans une simple opération d'estampage à partir d'une seule bande de tôle et pratiquement sans chute. Les opérations de pliage sont de préférence exécutées automatiquement par une machine placée dans la chaîne de fabrication. La fixation du dissipateur sur le composant est une simple opération d'emboltement manuel qui dispense d'utiliser des vis et des écrous de dimensions et de matières particulières ainsi que des clés dynamométriques et des rondelles de blocage. On économise ainsi de la main-d'oeuvre lors de l'assemblage des pièces et lors de leur montage sur la plaquette à circuit imprimé. En outre, il n'existe aucun risque de rupture ou de déchirement du corps diélectrique du composant et un retrait ou fluage à froid du composant est absorbé par la structure élastique des doigts d'embo#tement. L'invention n'est pas limitée par la description précédente qui n'a été donnée qu'à titre illustratif. L'homme de l'art peut en effet apporter à l'invention de multiples variantes qui ne sortent pas de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Dissipateur de chaleur pour dispositif semi-conducteur encapsulé 10 du type comportant des pattes conductrices de chaleur 20,22 s'étendant au travers d'une enveloppe 12, lesdites pattes comportant des surfaces tournées dans des directions opposées, comprenant un corps en tôle emboutie 24 et des moyens 42,44 prévus sur le corps de façon à permettre l'accrochage séparable dudit dispositif, ledit dispositif étant caractérisé par des moyens 54,56 se trouvant en relation de transmzssinn de chaleur avec le corps et en contact planaire de transmission de chaleur avec :E* oins une surface desdites pattes 20,22 lorsque le dispositif est maintenu par les moyens d'accrochage 42,44 pour transmettre de la chaleur desdites pattes au corps métallique: 24. 2 - Dissipateur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites pattes 20,22 ont une forme de L et s'étendent à partir de côtés opposés dudit dispositif 10, lesdits moyens 54,56 de transmission de chaleur étant profilés en L en correspondance et comportant des surfaces de contact sensiblement parallèles et agencées pour s'appliquer contre les pattes 20,22 sur des surfaces opposées de celles-ci en relation planaire de transmission de chaleur; 3 - Dissipateur de chaleur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'accrochage comprennent des doigts 46,48 s'étendant à partir dudit corps dans des directions sensiblement parallèles entre elles et sensiblement perpendiculaires auxdites surfaces desdits moyens de transmission de chaleur 54,56 qui sont en contact avec les pattes. 4 - Dissipateur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens d'accrochage comprennent des parties d'embotement élastique 42,44 agencées pour retenir de façon séparable ladite enveloppe 12 contre le corps 24 lorsque lesdites pattes 20,22 sont en contact avec lesdits moyens de transmission de chaleur 54,56. 5 - Dissipateur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit corps 24 comprend une seule tôle métallique, lesdits moyens de transmission de chaleur 54,56 et lesdits moyens d'accrochage 42,44 étant formés par poinçonnage de ladite tôle et faisant saillie de celle-ci dans une direction donnée. 6 - Dissipateur de chaleur suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ledit corps comprend une base 26 et deux ailes 28,30 recourbées à partir du plan de ladite base dans une direction sensiblement opposée à ladite direction donnée. 7 - Dissipateur de chaleur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites ailes 28,30 partent aussitôt de la base dans une direction sensiblement perpendiculaire à celleci et divergent ensuite vers l'extérieur dans des directions opposées faisant un certain angle entre elles. 8 - Dissipateur de chaleur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites ailes 28,30 s'étendent à partir de ladite base 26 en convergeant d'abord légèrement puis en divergeant. 9 - Dissipateur de chaleur suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est prévu deux ailes faisant saillie dudit corps dans des directions divergentes. 10 - Dissipateur de chaleur pour dispositif semi-conducteur 10 comprenant un seul corps 24 en tale métallique estampé comportant une base 26, et caractérisé par deux paires de doigts 46,48, 54,56 orientées dans des directions opposées, découpées dans le corps en tôle métallique 24 et recourbées vers le haut à partir de ladite base 26 , lesdites paires de doigts étant sensiblement perpendiculaires entre elles de façon à former un berceau pour ledit dispositif 10, au moins une desdites paires de doigts 46,48 permettant de retenir de façon séparable ledit dispositif 10 sur le corps 24, ledit corps en tôle métallique 24 étant recourbé vers le bas le long de lignes de pliage sensiblement parallèles de façon à former deux ailes 28,30 s'étendant vers le bas à partir de ladite base 26 de part et d'autre de celle-ci dans des directions divergentes. il - Dissipateur de chaleur suivant la revendication 10, caractérisé en ce qu au moins une desdites paires de doigts 54,56 est formée au moins en partie par poinçonnage dans lesdites ailes 28,30. 12 - Dissipateur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 6,10 ou 11,caractérisé en ce que chacune des dites ailes 28,30 comporte des bandes étroites 40 excisées et décalées vers l'extérieur à partir du plandesdites ailes 28,30