Brevet FR2524250A1 — publié le 19830930

as 141 {o CARTE IMPRIMEE ELECTRIQUE ET THERMIQUE, PROCEDE DE FABRICATION D'UNE TELLE CARTE ET SYSTEME D'INTERCONNEXION THERMIQUE ET ELECTRIQUE - UTILISANT UNE TELLE CARTE La présente invention concerne une carte imprimée électrique et thermique, un procédé de fabrication d'une telle carte ainsi qu'un système d'interconnexion thermique et électrique utilisant cette carte. Les problèmes de dissipation thermique se posent notamment dans les appareils ou équipements comportant un grand nombre de cartes imprimées munies de composants -électroniques Parmi ces composants, certains d'entre eux dissipent une quantité de chaleur importante qu'il convient d'évacuer dans les meilleures conditions possibles afin de maintenir lesdits composants dans des conditions de fonctionnement acceptables La carte imprimée selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle comporte, solidaire l'un de l'autre, un circuit imprimé mono ou multi-couches et un drain thermique constitué d'une âme métal- lique revêtue de résine isolante, le circuit imprimé et le drain thermique comportant une pluralité de trous de connexion respec- tivement alignés deux par deux, lesdits trous du drain thermique étant également revêtus de résine isolante, le drain, thermique comportant enr outre des zones non revêtues de résine isolante disposée sur la face extérieure de celui-ci Ces zones non revêtues de résine isolante seront d'une part au moins une hordure de la carte imprimée, et d'autre part les emplacements prévus pour les compo- sants électroniques dissipant de la chaleur. De cette manière, en effet, on constate que la carte imprimée ainsi réalisée outre le fait que le drain thermique généralement métallique contribue à rigidifier le circuit imprimé qui peut être très mince, permet alors une dissipation thermique correcte des composants électroniques, dissipation effectuée par conduction En effet, chaque composant électronique, dissipant de la chaleur, est placé en un endroit de la carte comportant une partie non revêtue de résine isolante ce qui permet de mettre en contact thermique étroit le boîtier dudit composant et le drain thermique Au besoin, pour améliorer la conduction thermique, on interpose entre les deux une pâte de conduction thermique bien connue de l'homme-de métier ayant un coefficient de conduction thermique supérieure à celui de l'air Les calories ainsi dissipées par le composant électronique et transmises à son bottier sont alors drainées par le drain thermique jusque sur les bords latéraux de la carte qui comporte des bandes latérales non revêtues de résine isolante Ces bandes latérales sont insérées dans des connecteurs thermiques réalisés sous forme de glissières dans lesquelles viennent se bloquer les extrémités de la carte en contact étroit avec lesdites glissières éventuellement traversées par un liquide de refroidissement. Une telle structure de carte et de système d'interconnexion telle que décrit ci-dessus permet d'améliorer considérablement l'évacuation des calories dissipées par ses composants et permet ainsi une plus grande densité de carte à lintérieur d'un même équipement électrique. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une carte imprimée telle que décrit ci-dessus Sans entrer dans les détails auxquels on pourra se reporter ci-après, ce procédé est essentiellement remarquable en ce que le drain thermique, généra- lement une plaque métallique, est percé tout d'abord de trous de connexion à travers lesquels passeront les connexions des compo- sants de la carte Ce perçage s'effectue en pratique à l'aide de la même bande de commande de la machine outil de perçage que le circuit imprimé qui lui est associé Après perçage, on dépose sur le drain thermique aux endroits voulus des caches du type ruban adhésif de manière à repérer ces endroits Une peinture isolante est ensuite déposée uniformément sur l'ensemble du drain y compris dans les trous Ce dépôt s'effectue soit par la technique de peinture électrostatique, soit par la technique du lit fluidisé (voir pour plus de détail sur ces techniques employés dans le domaine des circuits imprimés le brevet français 2 386 959) Après polymérisation de la résine (généralement une résine époxy), le drain thermique est ainsi isolé uniformément On retire alors les caches aux endroits o ils avaient été disposés mettant ainsi des zones à nu sur le drain thermique Le circuit imprimé correspondant est ensuite réalisé et assemblé avec ce drain thermique de manière connue en soi, soit par contre-collage d'un circuit imprimé mono ou multi-couches réalisé sur tissu de verre époxy par exemple, soit par des techniques additives ou soustractives de dép 8 t métallique sur la résine isolante déposée sur le drain thermique Suivant les cas, comme on le verra plus loin, l'étape de perçage du circuit imprimé peut être évitée, tandis que le circuit imprimé comporte alors des fenêtres qui viennent en coïncidence avec les zones mises à nu du drain ther- mique Ces zones sont traitées ensuite pour être protégées contre l'oxydation, de manière connue en soi. L'invention concerne également un système d'interconnexion thermique et électrique de composants électroniques dissipant de la chaleur, système utilisant une carte telle que décrite ci-dessus La carte revêtue de ces composants électroniques aux endroits adé- quats est disposée de préférence entre deux connecteurs thermiques sous forme de glissières situées de part et d'autre de la carte, tandis que la connexion électrique de la carte avec l'appareillage extérieur s'effectue à l'aide de connecteurs électriques disposés sur l'un ou les deux autres bordures de la carte en coopération avec un connecteur correspondant situé dans l'appareil électrique utilisant ce système. Bien entendu, les connecteurs thermiques utilisés peuvent être du type connecteurs électriques et thermiques tels que décrits dans le brevet français 2 471 059. L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation suivants, donnés à titre non limitatif, conjointement avec les figures qui représentent: la figure 1, une vue partielle en coupe d'un système d'inter- connexion utilisant une carte imprimée selon l'invention, la f igure 2, une vue en coupe et une vue de dessus correspondantes d'une carte selon l'invention, la figure 3, une variante de la carte selon l'invention dans laquelle le drain thermique n'a aucune perforation, la figure 4, une vue partielle d'un-trou de connexion selon une variante préférentielle. Sur la figure 1, est représentée une vue en coupe d'un système d'interconnexion électrique et thermique selon l'invention La carte imprimée 1 selon l'invention est constituée d'un drain thermique métallique 2 sur lequel est déposée une couche isolante 3 telle qu'une résine époxy par exemple Un circuit imprimé Il muni de trous d'interconnexion entre couches telles que 12, 13, 14, etc est rendu solidaire du drain thermique 2 sur la partie inférieure de celui-ci La couche isolante 3 sépare du drain 2 des couches conductrices du circuit imprimé 11 Des trous de connexion 8 et 9 de composants tels que-S traversent le drain thermique 2 et le circuit imprimé 11 Les pâtes de connexion telles que 6-et 7-du composant 5 traversent ainsi ces trous revêtus intérieurement au niveau du drain thermique 2 de la couche isolante 3, lesdites pâtes de connexion étant reliées en 15 et 16 au circuit imprimé Il Sous le boîtier 5 du composant électronique, se trouve une partie 4 du drain thermique 2 non recouverte de la couche isolante 3, réalisant ainsi une ouverture dans cette couche isolante 3 qui recouvre par ailleurs le drain thermique 2 Pour améliorer la conduction thermique entre le boîtier 5 et le drain thermique 2, on incorpore dans cette ouverture 4 une pâte conductrice connue en soi ayant une bonne conduction thermique Sur l'extrémité supérieure gauche de la carte 1, la couche isolante 3 est interrompue mettant à nue ainsi une partie 19 du drain thermique 2 non revêtue de cette couche isolante Cette partie 19 est au contact de la paroi 10 correspondante de la glissière thermique dans laquelle vient s'enficher Pextrémité de la carte Le contact thermique est maintenu contre celle-ci à l'aide du contact presseur 18 maintenu en pression par la rotation de la came 17. L'extrémité du drain thermique 2 revêtue de la couche isolante 3 vient ici en butée contre le fond 20 de la rainure de la glissière thermique On constate ici que le circuit imprimé Il s'étend jusqu'à l'extrémité du drain thermique 2, séparée de celui-ci par la couche isolante 3. La figure 2 représente sur la figure 2 a une vue en coupe d'une carte imprimée selon Pinvention et sur la figure 2 b une vue de dessus de cette carte Cette carte 1 représente une variante de celle représentée sur la figure 1 En effet, sur cette figure 2, le drain thermique 30 n'est pas revêtu sur ses deux bordures latérales 32, 33 et 34, 35 de la couche isolante 31 Le drain thermique est ainsi directement au contact de la glissière thermique lorsque la carte est connectée, aussi bien sur une face que sur l'autre, le circuit imprimé 36 s'arrêtant avant l'extrémité latérale dela carte - Ce circuit imprimé 36 comporte également des trous d'intercon- fnexion 37, 38, 39 et 40 entre les différentes couches qui le constituent La carte imprimée 1 comporte par ailleurs des perfo- rations 41, 42, 43, 44 traversant à la fois le drain -thermique et le circuit imprimé est destiné au passage des connexions des compo- sants électroniques à fixer sur cette carte Ces trous de connexion sont isolés à l'aide de la couche isolante 31 dans les zones corres- pondantes du drain thermique Celui-ci comporte sur sa face exté- rieure, des zones 45 et 46 non revêtues de la couche isolante 31 Ces zones correspondent aux emplacements des boîtiers de composants électroniques destinés à être fixés sur cette carte On remarque par ailleurs des trous de connexion électrique 47 et 48 semblables aux trous tels que 41, 42, 43 et 44, et destinés à relier les conducteurs électriques du circuit imprimé 36 à l'extérieur de la carte, par l'intermédiaire de connecteurs de circuit imprimé bien connus de l'homme de métier. Sur la figure 3, est représentée une variante du circuit selon l'invention, variante de la figure 1 dans laquelle le drain thermique ne comporte aucune perforation Sur cette figure, les mêmes éléments que ceux de la figure 1 portent les mêmes références Le drain thermique 2 est recouvert sur sa face antérieure d'une couche uniforme de pâte isolante 3 sauf sur les deux bords latéraux 19 destinés à être en contact thermique avec les glissières thermiques telles que représentées sur la figure 1 Sur la face supérieure du drain thermique, se trouvent le circuit imprimé Il et ses trous d'interconnexion entre couches telles que 12, 13 et 14 Ce circuit d'interconnexion 1 l comporte au niveau des composants tels que 5 des ouvertures qui se prolongent également dans la couche isolante 3 du drain thermique 2 Les composants 5 qui sont du type par report à plat, c'est-à-dire munis soit de plots de connexions, soit de con- nexions latérales pouvant être soudées à plat sur les circuits imprimés (connexions 6 et 7 sur la figure 3), sont alors fixés sur le circuit imprimé Il dans l'ouverture correspondante, cette ouverture étant munie sur sa partie inférieure d'un joint thermique 4 connu en soi, qui relie thermiquement la base du boîtier 5 au drain thermique 2 On constate dans cette -variante que le drain thermique n'a-pas besoin d'être perforé puisque les composants ne traversent pas celui- ci, ce qui permet encore d'améliorer l'évacuation des calories du fait de la continuité du métal constituant le drain thermique On peut noter par ailleurs que la couche de protection 3 située au dos du drain thermique n'est pas nécessaire dans le cas présent et elle peut éventuellement être supprimée de manière à rapporter par exemple un radiateur de refroidissement par convection sur l'ensemble de la partie inférieure du drain thermique 2 On constate également que les zones 19 du drain thermique non pourvues de couches isolantes 3 sont situées dans le cas représenté sur la figure 3 au dos du drain thermique. La figure 4 représente une vue partielle d'un trou de connexion selon une variante préférentielle de l'invention Sur cette figure, les mêmes éléments que ceux de la figure 1 portent les mêmes références Dans cette variante correspondant à la structure de la figure 1, l'ouverture réalisée dans le drain thermique a une largeur d 1 supérieure à l'ouverture pour le passage de la connexion du composant et sa soudure sur le circuit imprimé 11 qui a une largeur d 2 entre les deux extrémités de la pastille rapportée 61 Ceci permet une utilisation du circuit selon l'invention pour tous les types de boîtiers en particulier pour ceux qui présentent un épaulement au niveau des pattes de connexion évitant ainsi un contact des pattes avec la couche isolante 3 au moment de l'insertion On notera également sur oette figure la couche d'adhésif 60 nettement mise en évidence entre le circuit imprimé Il et le drain thermique 2 recouvert de sa couche isolante 3. EXEMPLE: On réalise un circuit imprimé doubles faces ou multi-couches en stratifié verre époxy mince selon la technique bien connue. Un support métallique d'épaisseur 1 mm est ensuite percé de la même manière que le perçage des trous de connexion de composants du circuit imprim'é multi-couches Cette âme métallique est en aluminium ou ses alliages, cuivre, acier, f erro-nickel, titane avec un coefficient de dilatation compatible avec celui des céramiques Elle est ensuite munie de caches ou zones épargnes aux endroits corres- pondant au boîtier des composants électroniques qui seront placés sur la carte ainsi que sur les deux bordures latérales opposées correspondant à la connexion thermique Ce substrat métallique est ensuite plongé dans un lit fluidisé de résine époxy, la résine venant se disposer uniformément sur toute la plaque métallique Le substrat métallique est alors retiré de ce lit fluidisé et l'on découpe ensuite la résine aux endroits repérés par les caches, après passage dans un four de manière à réaliser une réticulation ou durcissement de la résine époxy réalisant ainsi une couche isolante superficielle uni- forme sur l'ensemble du drain thermique y compris dans les trous de connexion Des détails sur ce procédé de dépôt de couches isolantes et leur mise en oeuvre sont donnés par exemple dans le brevet français 2 386 959 On pourra également procéder par dépôt élec- trostatique de peinture à travers des masques protégeant les parties situées sous les composants et les bordures de la carte de manière à réaliser directement la couche isolante adéquate. Le circuit imprimé multi-couches et le drain thermique ainsi revêtus de sa couche isolante sont ensuite contre-collés à l'aide d'une colle époxy par exemple On peut également utiliser un circuit imprimé sur verre époxy du type pré-impégné à l'aide d'une résine époxy pré-polymère, le passage en température de l'ensemble drain thermique et circuit imprimé réalisant la solidarisation de ces deux éléments. 2 524250 REVENDICATIONS 1 Carte imprimée électrique et thermique, caractérisée en ce qu'elle comporte, solidaires l'un de l'autre, un circuit imprimé ( 1) mono ou multi-couches et un drain thermique constitué d'une âme métallique ( 2) comportant des zones revêtues de résine isolante ( 3) et des zones non revêtues de résine isolante ( 4). 2 Carte imprimée selon la revendication 1, caractérisée en ce que des zones ( 4) sans résine isolante sont situées sur la face extérieure du drain thermique ( 2) pour recevoir les composants correspondants ( 5), le circuit imprimé et le drain thermique compor- tant une pluralité de trous de connexion ( 8) respectivement alignés deux par deux, lesdits trous du drain thermique étant revêtus de résine isolante. 3 Carte imprimée selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit imprimé ( 1) comporte des ouvertures en concordance avec des zones ( 4) non revêtues de résine isolante du drain ther- mique ( 2) pour recevoir les composants correspondants ( 5). 4 Carte imprimée selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le drain thermique comporte également des zones ( 19) non revêtues de résine isolante en bordure de celui-ci, sur l'une et/ou l'autre face. Carte imprimée selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que sur une bordure au moins de la carte sont prévus des emplacements de connexion électrique. 6 Procédé de fabrication d'une carte imprimée, caractérisé-en ce qu'il consiste à réaliser un drain thermique' à l'aide d'une plaque métallique ( 2) sur lequel on dispose des caches aux endroits voulus, on dépose ensuite une couche isolante ( 3) sur l'ensemble de la plaque métallique, on enlève les caches de manière à mettre à nu la plaque métallique dans les zones prévues ( 4) puis on réalise un circuit imprimé ( 11) qui est rendu solidaire de l'une des faces du drain thermique, de manière à rendre accessible les zones ( 4) de la plaque métallique mises à nu. 2 '5 24250 7 Système d'interconnexion thermique et électrique de com- posants électroniques dissipant de la chaleur, lesdits composants étant disposés sur une carte imprimée comportant au moins un circuit imprimé et un drain thermique, ladite carte étant reliée aux éléments du système électriquement et thermiquement à l'aide de connecteurs électriques et/ou thermiques, caractérisé en ce que chaque carte imprimée est constituée d'une âme métallique ( 2) constituant le drain thermique, revêtue d'une résine isolante ( 3), assemblée avec le circuit imprimé ( 11), l'une des faces du drain thermique comportant d'une part des logements accessibles ( 4) disposés dans la résine isolante permettant aux boîtiers des compo- sants d'être directement en contact avec l'âme métallique ( 2), et d'autre part, deux bordures latérales ( 19) non recouvertes de résine isolante directement au contact des connecteurs thermiques. 8 Système d'interconnexion thermique et électrique selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'une pâte de conduction ther- mique est interposée entre les boîtiers ( 5) de chaque composant et le drain thermique ( 2, 3).