Brevet FR2504293A1 — publié le 19821022

La présente invention concerne le domaine des circuits électroniques à régulation de température et des procédés de régulation de température, et elle concerne plus particulièrement le domaine des circuits électroni- ques à régulation de température et des procédés de régu- lation de température prévus pour un fonctionnement au- dessous de la température ambiante. Au cours du développement et de l'évaluation des dispositifs à semiconducteur et/ou des puces de semi- conducteur contenant plusieurs dispositifs intégrés ensem- ble pour constituer un circuit électronique fonctionnel, il est apparu très clairement qu'un échauffement excessif des dispositifs à semiconducteur et/ou des puces de semi- conducteur avait un effet très nuisible sur les perfor- mances des dispositifs ou des circuits et conduisait, dans de nombreux cas, à la destruction de la fonction des dispositifs ou des circuits Il est donc apparu clairement qu'il était nécessaire de trouver des solutions ou des techniques destinées à empêcher un échauffement excessif des dispositifs ou des circuits et à éviter ainsi la dé- térioration ou la destruction résultantes de la fonction des dispositifs ou des circuits Diverses solutions ou techniques destinées à empêcher un échauffement excessif des dispositifs ou des circuits ont été essayées ou mises en oeuvre pour tenter de résoudre ce problème L'une de ces solutions ou techniques consistait à réaliser un re- froidissement thermoélectrique des éléments de circuit à semiconducteur pour éviter leur destruction à des tempéra- tures élevées Une autre solution ou technique consistait à faire fonctionner des circuits à semiconducteur de fai- ble puissance au-dessous de la température ambiante, pour améliorer leurs performances en ce qui concerne le bruit et les courants de fuite parasites Dans le passé, on réalisait habituellement ce fonctionnement audessous de la température ambiante au moyen d'enceintes thermostatées coûteuses utilisant des fluides de refroidissement et des moyens similaires, qui sont mal adaptés pour du matériel t portable ou d'encombrement réduit Il existe donc un besoin 2504 t 91 pour une technique ou un procédé perfectionné destiné au refroidissement de dispositifs ou de puces de semiconduc- teur, dans le but de réduire l'échauffement des dispositifs ou des puces de semiconducteur. Conformément à l'invention, un circuit électroni- que sensible à la température est refroidi par des moyens thermoélectriques et chauffé par un circuit intégré régula- teur de température pour maintenir le circuit critique à une température constante sur une plage étendue de tempé- rature ambiante, qui peut être supérieure ou inférieure à la température régulée Dans un mode de réalisation, les moyens de régulation et le circuit critique sont séparés des moyens de refroidissement par une impédance thermique; et la puissance que doit commander le régulateur est rela- tivement faible Selon une variante, les moyens de refroi- dissement peuvent être régulés de manière directe Dans un cas comme dans l'autre, l'alimentation des moyens de refroi- dissement est pratiquement isolée de l'alimentation du circuit critique D'autres modes de réalisation en accord avec les buts suivants entrent dans le cadre de l'inven- tion. L'invention a pour but d'offrir un module à tém- pérature régulée de type perfectionné, et un procédé cor- respondant, pour des dispositifs à semiconducteur et/ou des puces de semiconducteur L'invention a également pour but de réaliser une régulation thermique intégrée d'un module de circuit électronique, notamment à une tempéra- ture inférieure à la température ambiante, ce qui a pour effet d'améliorer les performances du circuit L'invention a également pour but de réaliser un module entièrement électronique et de faible encombrement, avec une régula- tion de température au-dessous de la température ambiante. L'invention a enfin pour but de réaliser une régulation thermique intégrée d'un module de circuit électronique fonctionnant au-dessous de la température ambiante, avec des erreurs temporelles minimales, et avec des circuits de commande de température à courant relativement faible. Selon un mode de réalisation de l'invention, un Z 504 293 module de circuit électronique comprend un circuit intégré électronique sensible de façon critique à la température; des moyens de refroidissement thermoélectriques pour ce circuit; et des moyens de régulation de température en cou- plage avec le circuit et avec les moyens de refroidissement pour commander la température du circuit. Un autre mode de réalisation de l'invention porte sur un procédé de régulation de température d'un circuit électronique qui comprend les opérations suivan- tes: on établit un circuit électronique; on refroidit ce circuit électronique de façon thermoélectrique, à l'aide de moyens de refroidissement thermoélectriques; et on régule la température du circuit électronique pour comman- der la température de ce circuit, en utilisant des moyens de régulation de température en couplage avec le circuit et les moyens de refroidissement thermoélectriques. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une coupe d'un mode de réalisa- tion préféré du dispositif de la figure 2, faite selon la ligne 1-1 et montrant les principaux éléments de celui-ci; La figure 2 est une vue de dessus faisant appa- ratre -l'interconnexion des divers éléments du dispositif. On va maintenant considérer les figures 1 et 2 qui représentent respectivement une coupe latérale et une vue de dessus d'un mode de réalisation préféré de l'inven- tion Un substrat 1 fait fonction de support pour les autres éléments ou composants du circuit électronique éta- bli sur lui, et il assure également le transfert de cha- leur vers l'ambiance Comme le montre la figure 2, le subs- trat 1 est constitué dans cet exemple par la base métalli- que d'un boîtier du type TO-3 portant plusieurs broches 17 (voir la figure 1) destinées aux connexions externes. Un refroidisseur thermoélectrique ou module refroidisseur 2 (voir la figure 1) est monté sur le substrat 1 et il est alimenté par des conducteurs 18 connectés à deux des bro- ches 17 du boîtier Le refroidisseur thermoélectrique 2 com- 2504 293 prend un élément actif (lignesverticales)intercalé entre une face horizontale chaude montée sur le substrat 1 et une face horizontale froide montée sur l'élément actif et placée au-dessus de ce dernier (Si on le désire, on peut établir des connexions à travers les faces pour l'alimen- tation électrique du refroidisseur) Dans le mode de réa- lisation représenté, un isolant thermique 4, par exemple en'"apton",est monté sur la face froide du refroidisseur thermoélectrique 2 et il supporte un substrat isolant isotherme 6, qui est par exemple en oxyde de béryllium Le substrat 6 est fixé à un élément chauffant régulateur de température 10 se présentant sous la forme d'un circuit intégré ou hybride. Le circuit électronique qui doit faire l'objet d'une régulation de température comprend une ou plusieurs puces de semiconducteur ou de circuit intégré 8 (voir la figure 2 sur laquelle deux puces sont représentées), qui peuvent être montées sur un substrat hybride 20 portant des composants passifs en couches minces et/ou épaisses (tels que des résistances, des condensateurs, etc), selon la fonction désirée pour le circuit Un isolant flexible 14 (par exemple enkaptod' qui porte un motif de circuit imprimé assure l'interconnexion de tous les composants au moyen des fils de liaison 16 qui sont connectés par les conducteurs du motif de circuit imprimé aux broches 17 du boîtier et aux plots deconnexion ou aux autres composants. Les autres composants comprennent, par exemple, un circuit séparateur de sortie 12 monté directement sur le substrat principal 1 dans le but de réduire la dissipation dans la partie refroidie du dispositif Le fait de monter loin du refroidisseur 2 tous les composants qui ne sont pas criti- ques au point de vue thermique permet d'obtenir une meil- leure commande de température, ainsi que l'élimination des transitoires thermiques et de la réaction thermique qui dégraderaient les performances du circuit régulé. A titre d'exemple particulier, le refroidisseur 2 peut être un module thermoélectriaue-de la marque MELCOR, type { FC 0 6-8-06, qui peut établir par exemple une différence de 2504 295 C entre les faces chaude et froide Cette différence de température décroît de façon approximativement linéaire lorsque la puissance pompée augmente et elle tombe à zéro pour une puissance pompée d'environ 0,55 W On obtient ceci avec une puissance d'entrée du refroidisseur d'envi- ron 0,9 W ( 1 A, 0,9 V) Sur la base de telles performances, la régulation de température d'un amplificateur à transis- tors à effet de champ Burr-Brown BB 3528, par exemple, pour le maintenir à -10 C, conduirait à un courant de polarisa- tion d'entrée d'environ 7,5 f A seulement sur une plage de température ambiante de 68 o C, conformément à l'exemple suivant présenté sous forme de tableau: TEMPERA CHUTE DE TEM CHUTE DE TEM PUISSANCE TEMPERA- TURE DU PERATURE DANS PERATURE DANS DANS L' TURE DE BOITIER LE REFROIDIS L'ISOLANT ELEMENT L'AMPLI- SEUR NOTE 2 CHAUFFANT FICATEUR NOTE 1 ET L'AM- PLIFICATEUR -25 C -27 C 40 C 318 m W -10 C NOTE 3 o C -51 C 14 C 114 m W -10 C 400 C -58,60 C 6,6 C 53 m W -10 C 430 C -600 C 5 C 40 m W -10 C NOTE 4 NOTE 5 NOTES 1 D'après les données du fabricant du refroidisseur thermoélectrique: T ( C) = -65 + 120 x puissance pompée (watts) (pour un courant d'entrée de i A du refroidisseur). 2504 293 2 Choisie pour avoir 50 C à 40 m W, soit 1250 C/W. 3 106 m A à 30 V 4 Température maximale du bottier pour que la tem- pérature du circuit soit régulée à -100 C. 5 Puissance à l'état de repos du circuit et de l'élément chauffant à -100 C. Le tableau permet de voir que du fait de l'au- gmentation de la dissipation du circuit intégré régulateur de température 10, l'amplificateur à transistors à effet de champ, par exemple, (comprenant les puces 8 et les dis- positifs passifs qui se trouvent sur le substrat hybride ) est régulé à une température constante supérieure ou inférieure à la température ambiante. Le circuit de régulation et le procédé de re- froidissement décrits ci-dessus ont non seulement pour effet de réduire le courant de fuite dans les dispositifs électroniques à semiconducteur, mais également de diminuer le bruit et de permettre l'obtention d'une dérive plus faible, à cause de la régulation de la'température du circuit critique D'autres configurations apparattront de façon évidente à l'homme de l'art, sur la base de la description détaillée qui précède du mode de réalisation préféré En résumé, le module représenté sur les figures comporte une possibilité de refroidissement grâce à la- quelle on peut refroidir (au moyen du refroidisseur 2) le circuit électronique pour l'amener dans une plage de température basse désirée et préférée pour le fonctionne- ment, afin de faire fonctionner les dispositifs et le cir- cuit dans de meilleures conditions et avec un meilleur rendement, tout en permettant la stabilisation des perfor- mances des dispositifs et du circuit, grâce à une possibi- lité de chauffage qui permet de chauffer le circuit élec- tronique (au moyen du dispositif à semiconducteur 10), pour maintenir la température abaissée désirée du circuit dans une plage de température très étroite, ce qui améliore les performances. Il va de soi quz de nombreuses autres modifications 2504 293 peuvent être apportées au dispositif et au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. 2504 293 REVENDICATIONS 1 Module de circuit électronique comprenant, en combinaison: un circuit intégré électronique ( 20) pré- sentant une sensibilité critique vis-à-vis de la tempéra- ture; et des moyens de refroidissement thermoélectriques ( 2) pour ce circuit; module caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de régulation de température ( 10) qui sont en cou- plage avec le circuit et avec les moyens de refroidisse- ment pour commander la température du circuit. 2 Module selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de régulation de température ( 10) commandent la température du circuit pour lui donner une valeur inférieure à la température ambiante. 3 Module selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de régulation de température ( 10) commandent la température du circuit pour lui donner une valeur comprise dans la plage des températures ambiantes. 4 Module selon l'une quelconque des revendica- tions 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens de chauffage ( 10) pour le circuit; et une impédan- ce thermique ( 4) qui est intercalée entre les moyens de refroidissement, d'une part, et le circuit et les moyens de chauffage d'autre part; et en ce que les moyens de régulation de température ( 10) commandent l'alimentation électrique des moyens de chauffage ( 10) pour commander la température du circuit. Module selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de régulation de température ( 10) commandent la température du circuit pour lui donner une valeur inférieure ou supérieure à la température ambiante, ou une valeur comprise dans une plage de températures am- biantes. 6 Module selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de refroidis- sement ( 2) sont électriquement isolés du circuit. 7 Module selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'amplification de sortie ( 12) pour le circuit, et ces moyens 2504 293 d'amplification sont isolés thermiquement du circuit. 8 Module selon l'une quelconque des revendica- tions 4, 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement thermoélectriques ( 2) réduisent à la fois la température du circuit et des moyens de chauf- fage; et les moyens de régulation de température ( 10) alimentent les moyens de chauffage pour commander simul- tanément la température du circuit et des moyens de chauffage. 9 Procédé pour réaliser un circuit électroni- que régulé en température conformément à l'une quelcon- que des revendications précédentes dans lequel: on établit un circuit électronique ( 8); et on refroidit ce circuit électronique par des moyens de refroidissement thermoélec- triques ( 2); caractérisé en ce qu'on régule la température du circuit électronique pour commander la température de ce circuit en établissant des moyens de régulation de température ( 10) qui sont en couplage avec le circuit et avec les moyens de refroidissement thermoélectriques. 10 Procédé selon la revendication 9, caracté- risé en ce qu'on chauffe le circuit et on régule la tem- pérature en mettant le chauffage en fonction pour com- mander la température du circuit.