Brevet FR2500215A1 — publié le 19820820

DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT D'UN COMPOSANT ELECTRONIQUE DE PUISSANCE, ET COMPOSANT ENCAPSULE DANS UN BOITIER MUNI D'UN TEL DISPOSITIF La présente invention concerne un dispositif de refroidissement d'un composant électronique, et plus particulièrement de refroidissement par un liquide d'un ou plusieurs composants semiconducteurs de puissance encapsulés dans un même boitier. Les composants semiconducteurs de puissance concernés par l'invention sont ceux dont le fonctionnement électrique dégage de la chaleur, c'est à dire essentiellement les transistors, thyristors, triacs, et diodes, mais d'autres composants, dont il est nécessaire de contrôler l'élévation de température, sont susceptibles d'être montés sur le dispositif selon l'invention. La fréquence de fonctionnement du composant de puissance n'intervient pas dans l'efficacité du dispositif de refroidissement selon l'inven tion ; toutefois, celui-ci est particulièrement intéressant lorsqu'il est appliqué à des composants de puissance fonctionnant aux hautes fréquences, pour lesquelles la longueur des liaisons entre le composant actif et le reste du circuit électronique prend de l'importance. En effet, le dispositif de refroidissement selon l'invention permet de refroidir le composant actif, à sa place dans le circuit, sans qu'il soit nécessaire de le déplacer jusqu'à une partie du système qui permette de le refroidir par l'air. Aux composants semiconducteurs de puissance sont liés deux types de problèmes thermiques. En premier lieu, la pastille, ou plus exactement les jonctions des semiconducteurs, doit fonctionner en-dessous d'une température limite maximale, de l'ordre de 1750C, ce qui ne pose pas de problème majeur pour les composants de signal, mais en pose pour les composants de puissance. Dans la majorité des dispositifs actuellement connus, l'évacuation des calories dégagées au niveau des jonctions dans les semiconducteurs se fait par le substrat du semiconducteur vers le boitier. En second lieu, l'augmentation de puissance à laquelle on accède actuellement avec le perfectionnement des technologies, conduit à des difficultés de réalisation et à un encombrement des systèmes d'évacuation des calories qui peuvent devenir excessifs. En effet pour les fortes puissances et de grandes surfaces des pastilles semiconductrices, il devient de plus en plus difficile d'assurer un bon contact thermique entre la ou les pastilles semiconductrices, l'isolant intermédiaire en oxyde de bérylium par exemple, une semelle de cuivre de répartition des calories et le radiateur: selon le moyen de fixation utilisé, la semelle et le radiateur se déforment d'une façon ou d'une autre, ce qui diminue le contact thermique et donc augmente la résistance thermique du boitier, et "in fine" limite la puissance dissipée. La limitation en puissance des semiconducteurs actuels est donc en grande partie liée à l'évacuation des calories, plutôt qu'à une limite atteinte dans la technologie des semiconducteurs. Dans les dispositifs actuellement connus, la limitation en puissance est dûe au fait que sont utilisés comme fluides caloporteurs soit l'air ambiant, par convection naturelle ou forcée, soit un liquide, généralement de l'eau, dont la circulation dans le dissipateur n'est pas contrôlée. Dans le dispositif de refroidissement selon l'invention, le fluide caloporteur est choisi parmi les liquides à capacité calorifique élevée, de façon à disposer d'un pouvoir élevé d'évacuation des calories dégagées par le semiconducteur; l'eau ou les liquides organiques sont particulièrement efficaces. Mais en outre, la circulation de ce liquide caloporteur au contact de la semelle du boitier à refroidir est soigneusement contrôlée, et le liquide circule à très grande vitesse entre des ailettes métalliques qui sont directement usinées dans le métal constituant la semelle du boitier. La circulation du liquide au contact de la semelle est obligée par un couvercle de fermeture de cavité, lequel couvercle vient en contact parfait avec l'extrémité des ailettes métalliques usinées dans la semelle du boitier. De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif de refroidissement d'un composant électronique de puissance, monté dans un boitier dont la semelle est réalisée dans un matériau métallique bon conducteur de la chaleur, caractérisé en ce que la semelle du boitier comporte une série d'ailettes de dissipation de la chaleur dégagée par le composant, parallèles entre elles et perpendiculaires au plan de la semelle, et en ce qu'un liquide caloporteur est soumis à une circulation forcée entre les ailettes, au contact direct de la semelle, ce liquide étant contenu dans une cavité formée par la semelle du boitier et par un couvercle, muni de deux orifices de circulation du liquide et d'un déflecteur placé entre les deux orifices de circulation et perpendiculairement aux ailettes, ledit déflecteur ayant au contact des ailettes des dimensions latérales égales aux dimensions latérales de la série d'ailettes, obligeant le liquide caloporteur à circuler entre les ailettes sur toute leur longueur. L'invention sera mieux comprise par la description qui suit d'un exemple d'application de dispositifs de refroidissement à circulation forcée, lequel s'appuie sur les figures annexes qui représentent - figure 1 : un dispositif de refroidissement par l'air d'un semiconducteur de puissance, selon l'art connu; - figure 2 : un dispositif de refroidissement par l'eau d'un semiconducteur de puissance selon l'art connu; - figure 3: un premier moyen de fixation d'un semiconducteur sur son radiateur; - figure 4: un second moyen de fixation d'un semiconducteur sur son radiateur; - figure S: schéma de fonctionnement du dispositif de refroidissement selon l'invention; - figure 6: vue du dispositif de refroidissement selon l'invention ouvert pour en montrer l'intérieur - figure 7: vue de la partie interne du couvercle de circulation du fluide; - figure 8 : schéma de la circulation contrôlée du fluide de refroidissement - figure 9: schéma de montage de deux boitiers refroidis dans un système électronique. La figure 1 représente un dispositif de refroidissement à l'air d'un semiconducteur de puissance, selon l'art connu. Un boitier de semiconducteur de puissance 1 est fixé de façon mécanique sur un radiateur 2 constitué d'un bloc métallique massif et sans cavité interne, muni d'ailettes de refroidissement. Ce radiateur est fréquemment constitué d'aluminium ou de tout autre métal bon conducteur de la chaleur et est souvent peint en noir de façon à mieux dissiper les calories dans l'air ambiant. Ce genre de dispositif de refroidissement est très connu et le principal intérêt de cette figure est d'attirer l'attention sur les limitations en puissance d'un tel dispositif. On peut, avec ce genre de radiateur à ailettes, dissiper des puissances de 100 à 200 Watts en convection naturelle, et on atteint 800 Watts en convection forcée, l'air étant propulsé contre les ailettes de refroidissement au moyen d'un ventilateur. Mais, pour de telles puissances, c'est à dire 800 Watts, les dimensions du refroidisseur du ou des semiconducteurs de puissance atteignent 40 cm de côté.Outre l'inconvénient que cela représente dans l'encombrement, de telles dimensions obligent à disposer les semiconducteurs de puissance sur l'arrière ou sur les côtés du matériel dans lequel ces semiconducteurs entrent, et par conséquent à avoir des liaisons relativement longues entre le circuit à proprement parler et les semiconducteurs de puissance. La figure 2 représente un autre dispositif de refroidissement par l'eau, ou par un liquide, de semiconducteurs de puissance, selon l'art connu. Sur cette figure, ont été représentés plusieurs semiconducteurs de puissance 3 fixés par des moyens mécaniques sur un bloc métallique 4 généralement de forme allongée, à l'intérieur duquel a été percée une double tubulure 5, dans laquelle circule un fluide caloporteur. Ce genre de dispositif de refroidissement par de l'eau, ou par liquide, est plus efficace et de plus petites dimensions que le précédent dispositif de refroidissement à l'air. Cependant, il faut remarquer que le liquide de refroidissement circule à l'intérieur d'un bloc métallique sans que sa circulation soit contrôlée de façon précise et il existe une résistance thermique relativement importante dans la chaine allant de la pastille de semiconducteur vers le support de son boitier d'encapsulation puis vers le bloc métallique jusqu'à l'eau qui circule dans la tubulure. Par conséquent, la puissance dissipée dans un tel dispositif de refroidissement par liquide est encore relativement limitée. Les figures 3 et 4 représentent des moyens de fixation des pastilles de semiconducteurs sur un radiateur. Ces deux figures ont pour but de mettre en évidence les difficultés qu'il y a à dissiper une grande quantité de chaleur lorsque la puissance des semiconducteurs augmente, ce qui nécessite donc un bon contact mécanique pour obtenir une faible résistance thermique boi tier/radiateur. Dans le cas de la figure 3 une unique pastille de semi-conducteur 6 est fixée au moyen d'un isolant 7, qui est classiquement une lamelle d'oxyde de beryllium, sur une embase métallique 8, fixée sur un radiateur 9 au moyen d'une tige centrale filetée. Pour obtenir un bon contact thermique, et par conséquent une faible résistance entre le boitier 8 et le radiateur 9, il est nécessaire d'opérer un serrage vigoureux du boitier ou plus exactement de son embase 8 sur le radiateur 9. Si le semi-conducteur de puissance est composé par une pastille d'assez grandes dimensions, il arrive fréquemment qu'au cours du serrage de l'embase le métal flue et qu'il y ait une retreinte dans la région centrale, ce qui cause une cassure en 10 de l'isolant 7 en oxyde de beryllium et de la pastille 6. Dans le cas de la figure 4, ont été représentées plusieurs pastilles de semi-conducteurs 6 montées côte à côte sur une plaque isolante 7, laquelle est fixée sur la semelle 8 d'un boitier de plus grandes dimensions que dans le cas de la figure 3. La semelle 8 du boitier est fixée sur le radiateur par des moyens mécaniques situés sur le pourtour de la semelle, mais les dimensions relativement grandes nécessitent un serrage vigoureux de façon à obtenir un bon contact thermique sur toute la surface inférieure de la semelle du boitier, et il est fréquent que ce serrage crée un bombage de la semelle, avec, comme conséquence, un vide il entre la semelle et le radiateur 9 et par conséquent un mauvais contact thermique. Plus le boitier est grand, plus il y a de difficultés à diminuer la résistance thermique boitier/radiateur. La figure 5 représente une vue en coupe du dispositif de refroidissement selon l'invention. Sur cette figure sont représentées, à titre non limitatif, deux pastilles 6 de semi-conducteurs de puissance, fixées par l'intermédiaire de plaquettes isolantes 7 dans l'embase 12 d'un boitier modifié selon l'invention. Les contacts de sortie sur les pastilles semi-conductrices sont prises par l'intermédiaire de poteaux métalliques 13 soudés perpendiculairement par rapport au plan des pastilles, ces contacts faisant l'objet d'un brevet déposé par la demanderesse. L'originalité du boitier 12 adapté au dispositif de refroidissement selon l'invention est qu'il comporte sur sa face postérieure, c'est à dire sur sa face principale opposée à la face d'accès par des connexions 13 aux pastilles de semi-conducteur, une série d'ailettes 14 qui sont soit usinées directement dans le même bloc de métal que celui dans lequel a été taillé le boitier, soit rapportées sous forme d'une structure lamellaire ou en nid d'abeilles, sur le fond plan du boitier, et fixées par exemple par brasure. Les ailettes sont usinées parallèles entre elles, et perperndiculaires au plan de la semelle du boitier. Le côté de la semelle du boitier 12 qui comporte les ailettes 14 est recouvert par un couvercle 15, réalisé en tôle ou injecté en matière plastique, à l'intérieur duquel circule le fluide caloporteur de refroidissement. La forme de ce couvercle 15 n'est pas limitée à celle qui est représentée sur la figure 5 : les points importants du couvercle 15 sont qu'il comporte deux orifices 16 destinés au raccord avec les tubulures d'arrivée et d'évacuation du fluide caloporteur. il comporte en outre un déflecteur central 17 qui assume une double fonction: obliger le fluide caloporteur qui entre par un raccord 16 à circuler entre les ailettes 14 avant de sortir par l'autre raccord 16; ensuite la largeur de ce déflecteur 17 fait qu'il constitue une sorte de patin qui vient en contact intime avec le sommet des ailettes 14, ce qui fait que le fluide caloporteur est obligé de circuler entre les ailettes sur toute leur longueur. Ce détail de réalisation sera plus facilement exposé à l'occasion d'une figure suivante. La figure 6 représente une vue en éclaté du dispositif de refroidissement selon l'invention. Sur cette figure sont représentées les trois principales parties constituantes du dispositif de refroidissement selon l'invention, vu, par rapport au boitier d'encapsulation des semi-conducteurs de puissance, du côté des ailettes de refroidissement. La première pièce constituante est le boitier 12 dans le matériau duquel ont été taillées des ailettes de refroidissement 14. La seconde pièce est constituée par le couvercle 15, représenté retourné de façon à montrer la constitution de l'intérieur de ce couvercle 15. Chaque tubulure 16 d'accès du fluide de refroidissement est prolongée selon son axe par une cavité qui permet au fluide de refroidissement d'atteindre la totalité des ailettes du boitier. Entre ces deux cavités se trouve le déflecteur 17, dont le niveau inférieur se trouve à une distance 18 du niveau inférieur du couvercle 15, cette distance 18 étant égale à la hauteur des ailettes 14 taillées dans l'embase 12, de telle façon que le déflecteur 17 vienne au contact de toutes les ailettes. La troisième pièce constituante du dispositif de refroidissement selon l'invention est un joint 19 qui est posé sur les ailettes 14 avant que le couvercle 15 ne soit mis en place. Ce joint a pour fonction de répartir le fluide de refroidissement de façon régulière entre les différentes ailettes, pour tenir compte des pertes de charges. Sur cette figure 6, il a été représenté, sans que ceci soit limitatif, muni de deux orifices qui ont une extrémité 20 étroite et une extrémité 21 plus large. Ces deux orifices sont distants entre eux d'une longueur légèrement supérieure à la longueur des ailettes 14, et la partie étroite 20 se monte du cOté de l'arrivée du fluide par une tubulure 16, c'est à dire du côté où la perte de charge est la moins élevée.Cependant, d'autres formes de joint 19 sont concevables, telles que par exemple une forme de trapèze, selon laquelle les deux languettes 22 qui bordent les fentes d'égalisation de distribution sont supprimées. Cette figure permet de mieux voir les ailettes 14. Les dimensions des ailettes sont importantes dans l'optimisation du dispositif de refroidissement selon l'invention. Ainsi, il a été trouvé que les ailettes 14 doivent être séparées entre elles par des rainures 23 dont la largeur est égale à la moitié de l'épaisseur d'une ailette 14 pour que le refroidissement soit optimum. La figure 7 représente le couvercle de circulation de fluide vu par sa partie inférieure, c'est à dire celle qui entre en contact avec la semelle du boitier d'encapsulation 12. Cette vue met en évidence que, dans le bloc de matière qui constitue le couvercle 15, sont percés deux orifices d'accès du fluide 16 et que ces deux orifices sont prolongés par une cavité 24 d'un côté du bloc et 25 de l'autre côté du bloc. Entre les cavités 24 et 25 se trouve le déflecteur 17 dont il a été déjà fait mention, ce déflecteur 17 ayant une épaisseur égale à la longueur des ailettes 14 de telle façon que le fluide qui pénètre à l'intérieur du boitier 15 par l'orifice et la cavité 24 est obligé de ressortir par la cavité 25 après avoir léché sur toute leur longueur les ailettes 14. La figure 8 représente le schéma de la circulation contrôlée du fluide de refroidissement dans le dispositif selon l'invention. La figure 8 correspond à la même vue que la figure 5, mais selon un axe de la coupe qui est perpendiculaire à l'axe de la figure 5, et en outre le haut et le bas des deux figures étant inversés. On voit sur la figure 8 que le couvercle 15 assure par contact avec l'embase de boitier 12 un volume à l'intérieur duquel le fluide de refroidissement pénètre par un orifice 16, se rapproche des ailettes grâce à une cavité 24 et circule le long des ailettes 14 avant de ressortir par une cavité 25 et le second orifice 16. Le joint 19 qui est mis en place entre le couvercle 15 et l'embase 12 présente deux orifices 20 dont la largeur évolue en fonction de la perte de charge le long du système de refroidissement. Etant don#né la coupe que représente la figure 8, une seule ailette 14 est visible; elle cache toutes les autres ailettes qui sont derrière elle. Cette même figure 8 permet de préciser le montage du capot et du dispositif de refroidissement sur l'embase 12, ce montage étant effectué, après avoir mis en place le joint 19, par collage du capot sur l'embase du boitier, ou par soudure. A titre d'exemple non limitatif le dispositif de refroidissement selon l'invention a donné les résultats suivants, l'eau étant le liquide de refroidissement: pour une surface d'échange composée de 20 canaux de 0,4 mm de largeur, sur une profondeur de 2,5 mm et une longueur de 15 mm, répartis sur une distance de 25 mm, le matériau dans lequel ont été usinés les canaux et les ailettes étant le cuivre, et pour un débit de 200 litres d'eau par heure et une perte de charge de 0,3 bar, la résistance thermique moyenne entre l'eau et le boitier a été trouvée égale à 0,02 C par Watt.Ces résultats signifient que par comparaison avec des systèmes connus tels que le radiateur à ailettes refroidi à l'air, il est actuellement possible de dissiper une puissance de 1K Watt au moyen d'un boitier dans lequel sont montées une ou plusieurs pastilles de semi-conducteur de puissance, sous la seule condition que la semelle de ce boitier soit équipée du dispositif de refroidissement selon l'invention, comportant notamment des ailettes sur une surface aussi petite que 25 mm X 15 mm, ce qui est à comparer avec les 40 cm de côté pour un radiateur à ailettes. La figure 9 représente un schéma de montage de deux boîtiers refroidis selon l'invention, dans un système électronique. Elle met en évidence l'avantage qui résulte de l'adoption de ce dispositif de refroidissement, en particulier pour des systèmes électroniques fonctionnant à haute fréquence. Soit 26 un premier circuit imprimé comportant outre les composants classiques, un premier boitier 12 refroidi par un dispositif de refroidissement selon l'invention 15. Ce premier boitier est fixé sur le premier circuit imprimé au moyen de vis de fixation et les connexions 13 des semiconducteurs de puissance sont soudées par une pluralité de points de soudure 27. Soient 26', 12' et 15' un second circuit imprimé, un second boitier de semi-conducteur de puissance et un second dispositif de refroidissement comparable au précédent.La figure 9 met en évidence le fait que, en raison des très petites dimensions du boitier par rapport à une puissance dissipée de l'ordre du kilowatt, il devient possible de maintenir, et en particulier dans un système fonctionnant en hyperfréquence, les éléments semi-conducteurs à leur place d'implantation sur le circuit imprimé, sans avoir à les déporter jusqu'à l'arrière de l'appareil, ou de façon plus générale dans une position où ils pourront être refroidis par l'air ambiant ou forcé. Le fait de maintenir les semi-conducteurs dans leur position d'implantation est d'autant plus important qu'aux hyperfréquences la longueur des liaisons joue un rôle non négligeable. Le dispositif de refroidissement selon l'invention tel qu'il a été représenté sur les figures 5, 6 et 9 en particulier, est décrit comme ayant une entrée et une sortie du fluide de refroidissement situées d'un même côté du capot 15, celui-ci ayant une forme de parallélépipède scié selon une diagonale. Cependant, appartient au domaine de l'invention le cas où le capot serait un parallélépipède muni sur deux faces opposées d'une entrée et d'une sortie de fluide. L'adoption de l'un de ces types de capot, ou de tout autre type de capot est essentiellement fonction de l'implantation des composants à refroidir par rapport au matériel dans la réalisation desquels ils entrent. C'est ainsi qu'en pr#atique il est plus facile de réaliser un matériel dans lequel le tube souple qui amène l'eau de refroidissement est situé d'un même côté d'un circuit imprimé que le tube souple qui évacue cette eau de refroidissement. Entrent dans le domaine de l'invention les modifications ou adaptations évidentes pour l'homme de l'art, qui concernent le dispositif de refroidissement selon l'invention, précisé par les revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Dispositif de refroidissement d'un composant électronique de puissance (6), monté dans un boitier dont la semelle (12) est réalisée dans un matériau métallique bon conducteur de la chaleur, caractérisé en ce que la semelle (12) du boitier comporte une série d'ailettes (14) de dissipation de la chaleur dégagée par le composant (6), parallèles entre elles et perpendiculaires au plan de la semelle (12), et en ce qu'un liquide caloporteur est soumis à une circulation forcée entre les ailettes (14), au contact direct de la semelle (12), ce liquide étant contenu dans une cavité formée par la semelle (12) du boitier et par un couvercle (15), muni de deux orifices (16) de circulation du liquide et d'un déflecteur (17), placé entre les deux orifices de circulation (16),et perpendiculairement aux ailettes, ledit déflecteur ayant au contact des ailettes (14) des dimensions latérales égales aux dimensions latérales de la série d'ailettes, obligeant le liquide caloporteur à circuler entre les ailettes sur toute leur longueur. 2. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ailettes (14) sont séparées entre elles par un intervalle égal à la moitié de leur épaisseur. 3. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ailettes (14) sont directement usinées dans le même bloc de métal que celui de la semelle (12) du boitier. 4. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ailettes (14) sont rapportées par brasure sur la semelle (12) du boitier. 5. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que entre les ailettes (14) et le couvercle (15), est disposé un joint (19), découpé sur ses deux côtés qui correspondent à l'arrivée et au départ du liquide caloporteur, de façon à assurer la régularité du débit de liquide entre les ailettes. 6. Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les dimensions latérales de la zone de refroidissement du composant sont inférieures aux dimensions latérales du boitier d'encapsulation du composant électronique. 7. Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la pression du liquide caloporteur à l'entrée (16) du dispositif assure au liquide circulant entre les ailettes (14) une vitesse de défilement très importante. 8. Composant électronique de puissance, caractérisé en ce qu'il est encapsulé dans un boitier muni d'un dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.