Brevet FR2167271A1 — publié le 19730824

La présente invention concerne les évacuateurs de chaw leur pour dispositifs électroniques, notamment du type à semiconducteurs. De nos Jours, les applications des dispositifs à semiconducteurs ne cessent de se multiplier. Les organes à semiconducteurs tels que transistors sont petits, mais conçus pour transmettre de fortes puissances. L'un des principaux problèmes que posent de tels dispositifs est la dissipation des quantités de chaleur qu'ils engendrent et qui, rapportées à leur volume, sont énormes. On a ainsi étimenés à utiliser des évacuateurs de chaleur tels que des ailettes de refroidissement. Les ailettes de refroidissement utilisées Jusqu'à présent pour assurer la stabilité thermique étaient si lourdes et encombrantes qu'elles annulaient parfois la diminution de poids et d'encombrement assurée par l'utilisation de semi-conducteurs.Les ailettes existantes destinées à titre associées à des transistors classiques à enveloppe métallique sont généralement conçues pour titre posées sur l'enveloppe métallique à travers laquelle se propage la chaleur engendrée. Un transistor récemment mis au point comporte un substrat en silicium disposé sur une face d'une bande métallique allongée. La bande et le substrat sont enrobés dans une enveloppe pe en matériau diélectrique moulée, la bande métallique traversant l'enveloppe à une extrémité du corps et formant une patte agencée pour transmettre la chaleur. L'enveloppe peut titre en matière plastique, céramique ou autre diélectrique. Une enveloppe métallique serait inutile et ntest pas prévue.Le corps est de forme générale rectangulaire et trois conducteurs de transistor ressortent de son extrémité opposée. Jusqutà présent, on éprouve des difficultés à monter le transistor, que son enveloppe soit en métal ou en matière plastie que, sur la structure de refroidissement. Le plus souvent, la fixation des éléments de refroidissement au dispositif s'opère par brasage ou analogue. Cette technique implique de grosses dépenses de temps et de matériel et il arrive qu'on ne puisse ré~ utiliser le système de refroidissement lorsqu'il faut remplacer le transistor devenu défectueux. Dans le cas de dispositifs semi-conducteurs à enveloppe en matière plastique comportant une surface métallique découverte la fixation matérielle aux éléments de refroidissement soulève de nouvelles difficultés. Ainsi, Si lton utilise une vis, on peut etre contraint d'avoir recours à un outil à couple-limite en vue de serrer la vis assez fort pour éviter tout décalage et desserrement, mais pas assez fort pour ébrécher ou casser l'enveloppe en matière plastique. De plus, qu'on utilise ou non une vis, il faut concevoir avec soin l'agenoement de montage en fonction de la disposition particulière et de l'encombrement prescrits pour le montage final. La présente invention a pour but de proposer - d'une manière générale, un évacuateur de chaleur ou refroidisseur perfectionné pour dispositif à semi-conducteurs ; - plus particulièrement un refroidisseur léger, compact et peu motteux. - un refroidisseur conçu pour autre associé à des composants à semi-conducteurs enrobés sur lesquels font saillie des pattes de conduction de chaleur et qu'on puisse adapter pour l'associer à des pattes de configurations diverses ; - un refroidisseur du genre décrit auquel on puisse fixer fermement le dispositif à semi-conducteurs, en bon contact de conduction thermique, de manière simple et rapide, sans utiliser d'outils ; - un refroidisseur pour dispositif à semi-conducteurs dont le corps soit formé d'une seule feuille métallique et qu'on puisse associer à des dispositifs à semi-conducteurs de formes et dimensions diverses présentant des montages sur panneau variés, entre autres du type dans lequel le refroidisseur doit être monté dans une zone de hauteur faible, ce qui limite sa propre hauteur. A ces fins, le refroidisseur suivant l'invention comprend un corps en feuille métallique découpée à l'emporte-pièce sur lequel font saillie deux doigts. Ces doigts sont rabattus l'un vers l'autre sur le corps pour ménager une fente destinée à recevoir la patte de conduction thermique d'un transistor ou autre dispositif à semi-conducteurs. Suivant un mode de réalisation, les doigts partent transversalement de l'embase du corps métallique et on les coude l'un vers l'autre de manière à recouvrir partiellement au moins cette embase. Suivant un second mode de réalisation, les doigts partent dans le même sens de l'embase du corps métallique suivant une direction longitudinale, sont coudés l'un vers vautre obliquement par rapport à cette direction et recouvrent partiellement au moins l'embase pour définir une fente longitudinale. Il est également prévu une patte décalée propre à stabiliser le corps de transistor après insertion de la patte de conduction thermique dans la fente. Le troisième mode de réalisation est semblable au second sous cette réserve que embase est coudée b plus de 900 autour d'un axe transversal. Suivant tous les modes de réalisation, le corps en feuille métallique présente une série de lamelles découpées et décalées pour accrottre le taux de dissipation de chaleur. Pour atteindre ces buts, ainsi que d'autres qui apparattront ci-après, la présente invention vise des refroidisseurs pour dispositifs à semi-conducteurs qu'on va maintenant décrire en se référant aux dessins annexés, sur lesquels La figure I illustre en plan un premier mode de réalisation d'un organe de refroidissement suivant l'invention monté sur un transistor à semi-conducteurs. La figure 1A est une vue en plan de l'ébauche en feuille métallique servant à former l'organe de refroidissement de la figure 1. La figure 2 est une vue de côté de l'ensemble de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne 3-3 de la figure 1 ; La figure 4 montre en plan un organe de refroidissement suivant une variante, monté sur un transistor à semi-conducteurs ; La figure 4A est une vue en plan de l'ébauche en feuille métallique servant à former organe de refroidissement de la figure 4 ; La figure 5 est une vue de côté de l'ensemble refroidisseur-transistor de la figure 4 ; La figure 6 est une vue en coupe suivant la ligne 6-6 de la figure 4 ; La figure 7 montre en plan un organe de refroidissement suivant une seconde variante, monté sur un transistor à semiconducteurs ; La figure 7A est une vue en plan de ltébauche en feuille métallique servant à former l'organe de refroidissement de la figure 7 ; ; La figure 8 est une vue de profil de l'ensemblerefroi disseur-transistor de la figure 7, et La figure 9 est une vue en coupe suivant la ligne 9-9 de la figure 7. Sur les dessins, et notamment sur la figure 1, on a reprdsenté un transistor, désigné par la référence générale 10, comportant un corps 12 enrobé de matière plastique et trois conducteurs minces 14 saillant côte à c8te à une extrémité du corps 12. Une patte métallique 16, saillant à l'autre extrémité du corps, est représentée convenablement fixée à 11 organe de refroidissement suivant l'invention. Le corps 12 du transistor est du type enrobé de matière plastique. Son substrat en semi-conducteur enrobé porte à plat, en contact de transmission de chaleur, contre la patte 16, à l'intérieur de 11 enrobage. Le corps 12, rectangulaire,#des dimensions très faibles qui, typiquement, sont d'environ 9,50 x 6,35 x 1,60 mm.Il constitue toutefois un transistor de puissance capable de transmettre une puissance notable sous réserve que la dissipation de chaleur soit adéquate. Le refroidisseur, désigné par la référence générale 17, est en feuille métallique mince, par exemple de cuivre au béryllium. Comme représenté sur les figures 1 à 3, il comprend une embase 18, de forme générale rectangulaire, d'où part une partie 20 (figure 2). La partie 20 présente deux doigts 22, dirigés à l'opposé, qu'on ramène, en les rabattant à environ 1800, parallèlement à l'une des faces de la partie 20 pour définir avec cette face une fente 24 (figure 3). L'embase 18 présente plusieurs lamelles 26 découpées et décalées pour améliorer la dissipation de chaleur par convection. Les lamelles décalées 26 ne sont pas constituées exactement comme des persiennes, car elles sont détachées du corps métallique par incision sur leurs deux bords, comme le montre clairement la figure 2, mais on leur donnera néanmoins par convention le nom de persiennes.On peut ménager de véritables persiennes, mais celles-ci sont difficiles à réaliser sauf si le métal est extrtmement mince. Le choix de la direction de ces persiennes dépend beaucoup des préférences de l'utilisateur et les persiennes sont en général conçues selon la configuration de l'enceinte dans laquelle doit fonctionner le refroidisseur. Bien qu'on puisse choisir librement les dimensions du refroidisseur, dans certains modèles préférés actuellement réalisés, l'embase mesure 31,75 x 15,9 mm et la fente a 12 mm tant de large que de long. La feuille métallique a une épaisseur de 0,25 min, mais on peut aussi fabriquer avec succès les mêmes refroidisseurs à partir de feuilles plus épaisses. Le décalage imprimé aux lamelles découpées 26 par rapport à 1'embase est de 1,50 mm. La fente 24 a de préférence une largeur suffisante pour recevoir sans Jeu îa patte métallique mince 16 qui rort du corps de transistor 12. Pour faciliter l'insertion de la patte 16 dans la fente 24, on peut écarter légèrement de la partie 20 le bord 28 de chaque doigt 22 situé à l'extrémité réceptrice de la fente, afin d'assurer la pénétration aisée du bord menant de la patte 16. Dans ce cas, le reste de chaque doigt 22 peut être amené par coudage un peu plus près de la partie 20, afin que les doigts re çoivent élastiquement la patte 16 pour bien la maintenir. Comme le montre le mieux la figure 3, une fois la patte 16 insérée dans la fente 24, elle porte intimement à plat, contre cette partie 20 en contact de conduction de chaleur, de sorte que la chaleur passe efficacement de la patte dans la partie 20 et, de la, dans l'embase 18, pour titre dissipée à un taux élevé par convection. On voit que le refroidisseur 17 peut autre commodément fabriqué à partir d'un seul morceau de feuille métallique, par exemple par découpage à l'emporte-pièce. La figure lA représente une ébauche typique à partir de laquelle on peut fabriquer le refroidis- seur de la figure 1. On voit que cette ébauche, de forme générale rectangulaire, présente deux encoches 30 définissant des doigts 22 dirigés à l'opposé. Tels que représentés, les doigts 22 s'étendent transversalement au-delà des bords de l'embase 18. Ce dépassement fait obligatoirement apparattre des chutes dans le métal en feuilles pendant la fabrication, mais il est souvent nécessaire pour la réception d'une patte 16 large et le maintien d'un taux optimum de dissipation de chaleur avec une embase 18 à dimensions-limites données.Les traits 29 représentent des lignes d'incision qui définissent des persiennes 26 dans le produit final. Après découpage de l'ébauche, on décale les lamelles 26 par rapport à l'embase 18 et l'on rabat les doigts 22 autour des lignes 31, pour les disposer comme représenté sur la figure 3. On peut appliquer à la feuille métallique un traitement anodique ou un revêtement de peinture noire mate pour améliorer la conduction thermique, mais ces opérations sont normalement effectuées par l'utilisateur. Les figures 4 à 6 illustrent une variante de refroidisseur. Le refroidisseur 33 qu'elles représentent est semblable à celui de la figure 1 en ce sens qu'il comporte une embase rectangulaire 32 présentant des persiennes 34 découpées et déeilées pour accroi- tre la dissipation de chaleur par convection. On notera toutefois, notamment d'après la figure 4A, que dans ce cas les doigts 36 définissant la fente partent initialement de 1'embase 32 sui'yant la longueur de celle-ci et sont coudés autour de lignes 56 incli nées à 45 environ sur cette longueur, pour définir une fente 38 de forme générale trapézoraale. Comme le montre la figure 5, une patte 40 part de l'embase 32 sur le bord récepteur de la fente 38 et est reliéeà ltembase par un tronçon de raccordement 42.Un petit prolongement 44 (figure 4A) de la patte 40 est agence pour pénétrer dans la fente correspondante d'un panneau à circuit. Ainsi, en pratique, on insère les deux conducteurs 14 du transistor 10 et le prolongement 44 du refroidisseur 33 dans un panneau à circuit sur lequel on les fixe de manière permanente, par exemple en les brasant sur la face inférieure du panneau. Il est clair qu'ainsi, ltensemble transistor-refroidisseur est fermement immo bilisé sur le panneau à circuit, ce qui évite efficacement que les conducteurs 14,relativement minces, soient coudés ou tordus. La patte décalées est séparée du corps de transistor par un inter valle 46, ce qui évite tout contact électrique ou jaillissement d'étincelles entre le refroidisseur et les conducteurs 14. Comme on le voit sur la figure 6, on coude les doigts 36 de façon à écarter leurs tranches 46 de l'embase 32 et on les ra bat légèrement vers #7'extérieur en 48 pour définir l'entrée de la fente 38, ce qui facilite l'insertion de la patte 16 dans cette fente. Pour décrire la fabrication du refroidisseur représenté sur la figure 4, on va se référer à la figure 4A, qui montre la feuil le découpée à ltemporte-pièce servant à former le refroidisseur. Comme représenté, la patte 40 part du milieu de la feuille sensi blement rectangulaire constituant embase et les deux doigts 36 et est séparée de ces doigts, de part et d'autre, par des encoches longitudinales 50. Les doigts 36 sont légèrement entamés par d'étroites encoches 52 partant des encoches 50, sur lesquelles elles sont inclinées à environ 450. ci encore, des lignes de de- coupe 54 définissent dans 1'embase 32 les persiennes 34 du produit final. Pratiquement, on rabat les doigts 36 contre une face de l'embase 32 autour de lignes 56 qui s'étendent dans le prolonge ment des encoches étroites 52. Il est clair que, suivant cette variante, on obtient une fente 38 plus large moyennant une consommation de matière plus faible que dans le cas de la figure 1. De plus, il apparat que cette variante permet de fabriquer un refroidisseur présentant une aire de dissipation de chaleur donnée en réduisant le pourcentage de chutes. Après les avoir rabattus sur L'embase 32, on coude les doigts 36 vers l'extérieur autour des lignes 58 et 60 pour agrandir la fente 38 à son extrémité réceptrice. On coude ensuite la patte 42 à 90e en sens opposés autour des lignes 62 et 64 pour la décaler comme représenté sur la figure 5. On amène par coudage les lamelles 34 en positions saillantes comme représenté sur la figure 5. Bien entendu, on peut donner à la patte 42 diverses formes et/ou dimensions permettant divers modes de montage sur un panneau à circuit ou autre organe de support. De plus, on peut supprimer complètement la patte 42, comme dans le cas de la figure 1. Le refroidisseur 61 représenté sur les figures 7 à 9 est con çu pour titre utilisé dans des endroits imposant une limitation à sa hauteur. On voit que la fente a la mtme configuration que celle représentée sur les figures 4 à 6, les pièces homologues portant donc les mimes références numériques, affectées du suffixe n. La patte 62 suivant cette variante comprend une traverse 64, décalée en 65 (figure 8), d'où partent vers le bas deux doigts 66. Comme précédemment noté, la patte est conçue d'après la configuration particulière du panneau à circuit auquel on doit l'as- socier.Comme le montre la figure 8, ltembase, désignée par la référence générale 68, est coudée à plus de 900 autour de l'axe transversal 74, le tronçon coudé 70 opposé à là fente faisant un angle d'environ 600 avec ltembase~68.Des persiennes 72 portées par le tronçon coudé 70 ne dépassent pas de préférence vers le haut la ligne de coudage 74. On voit qu'ainsi, on réduit de près de 50 % la hauteur de la structure sans réduire l'aire de dissipation de chaleur. L'ébauche servant à fabriquer le refroidisseur suivant cette variante est représentée sur la figure 7A. On notera qu'on peut la découper dans une feuille rectangulaire moyennant très peu de chutes. Pour former le produit final, on coude la patte 62, pour la décaler, autour des lignes 76 et 78, on découpe des persiennes 72 suivant des lignes 80 et on les décale par rapport au tronçon 70 et l'rabat les doigts 36' sur l'embase 68 comme déjà décrit à propos des figures 4 à 6. Enfin, on coude le tronçon 70 autour de l'axe 74 pour l'amener comme représenté sur la figure 8. De Iéxposé qui préeède, il ressort que l'invention concerne un organe de refroidissement léger et peu motteux pour dispositifs à semi-conducteurs à grande puissance. Tous les modèles de refroidisseur décrits peuvent être fabriqués par simple décou- page à l'emporte-pièce dans une bande de métal en feuille. Les opérations de coudage sont de préférence effectuées automatiquement à la machine sur une channe d'assemblage. La fixation du refro$ffisfsseur au dispositif ##opère manuellement manière simple, sans utilisation d'outils. De plus, il est tout aussi facile de déposer le refroidisseur pour le ré-utiliser sur un autre dispositif. Les pattes décalées peuvent servir à immobiliser le dispositif sur un panneau à circuit pour éviter de couder ou de tordre ses conducteurs minces. On peut associer les refroidisseurs à des transistors à corps et à pattes de configurations diverses et les introduire dans des espaces réduits et de faible hauteur. Bien entendu, on pourra apporter aux modes de réalisation décrits à titre d'exemple diverses modifications et variantes, sans sortir pour cela du cadre de l'invention, défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Refroidisseur comportant un corps découpé à ltemporte- pièce dans du métal en feuilles destiné à Aetre associé à des dispositifs à semi-conducteurs du type à enveloppe comportant une patte de conduction de chaleur traversant ladite enveloppe, caractérisé en ce qu t on y forme une fente agencée pour recevoir et maintenir de manière amovible ladite patte, le corps présentant au moins une surface contre laquelle la patte porte à plat, en contact de conduction de chaleur, lorsqu1elle est insérée dans la fente. 2. Refroidisseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit corps métallique comporte une embase d'où partent au moins deux doigts dont elle est solidaire, ces doigts étant amenés paicoudage en des positions sensiblement parallèles et au moins légèrement espacées par rapport à une face de l'embase pour former, ainsi dans un premier bord de embase, la fente destinée à recevoir la patte. 3. Refroidisseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit corps est formé d'une feuille de métal plate et allongée et en ce que la fente s'étend sensiblement longitudinalement à cette feuille. 4. Rjbfroidisseur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que ladite embase présente deux bords pSra'3ères sensiblement perpendiculaires au premier bord et en ce que les doigts sont coudés autour d'axes inclinés sur le premier bord et sur les bords parallèles. 5. Refroidisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit corps métallique comprend en outre un tronçon de stabilisation du disposftir, qui s'étend parallèlement à la fente, et un tronçon de raccordement, perpendiculaire à cette fente et qui relie la partie du corps définissant la fente au tronçon de stabilisation du dispositif pour former une patte d'appui à section en équerre, de sorte que Quand la patte de conduction thermique pénètre dans la fente, le dispositif se loge dans la patte aleppui et viens buter contre le tronçon de raccordement. 6. Refroidisseur selon ;'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit corps métallique comprend en outre un tronçon refroidisseur solidaire de l'embase et faisant avec elle un angle aigu. 7. Refroidisseur à corps en métal en feuille pour dispositifs à semi-conducteurs du type à enveloppe comportant une patte de conduction de chaleur qui traverse ladite enveloppe, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens propres à maintenir de manière amovible la patte appliquée à plat, en contact de conduction de chaleur, contre au moins une surface du corps. 8. Procédé de fabrication de refroidisseur pour dispositif à semi-conducteurs du type à enveloppe comportant une patte de conduction de chaleur qui traverse ladite enveloppe, caractérisé en ce qu'on découpe à l'emporte-pièce une feuille métallique pour former un tronçon de corps principal d'où partent deux doigts et en ce qu'on rabat ces doigts l'un vers 1 t autre pour les mettre en parallèle et les espacer au moins légèrement par rapport audit tronçon de corps principal, afin de former une fente propre à recevoir la patte de façon qu'elle porte à plat, en contact de conduction de chaleur, contre au moins une surface du tronçon de corps principal. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits doigts sont adjacents à un bord du tronçon de corps principal et en ce quton coude chacun d'eux autour d'un axe incliné sur ce bord. 10. Procéde selon la revendication 8 ou 9J caractérisé en ce que lesdits doigts s'étendent initialement suivant une première direction puis, après avoir été coudés pour former la fente, suivant une seconde direction sensiblement perpendiculaire à la première.