Brevet FR2560731A1 — publié le 19850906

CARTE IMPRIMEE MULTICOUCHE THERMOCONDUCTRICE La présente invention concerne d'une manière générale les problèmes d'évacuation de la chaleur dissipée par des composants électroniques implantés sur une carte imprimée multicouche. Plus particulièrement, l'invention a trait à la conduction thermique dans une carte imprimée multicouche comprenant une première couche conductrice interne reliée à la masse et des trous métallisés reliant des premières bornes d'alimentation de boîtiers de composants électroniques à la première couche conductrice interne, les boîtiers étant fixés sur la carte. Le but de l'invention est d'ajouter de substantielles modifications d'une telle carte imprimée multicouche connue, afin de conduire la chaleur provenant des boîtiers de composants électroniques à l'intérieur de la carte vers un radiateur de refroidissement et ou répartir cette chaleur en diffusant les échauffements localisés, sans pour cela modifier la structure interne générale de la carte et augmenter considérablement le coût de la carte. A cette fin, une carte imprimée multicouche est caractérisée en ce qu'elle comprend des premiers trous métallisés thermoconducteurs remplis de soudure, répartis au moins sous les boîtiers et en contact thermique intime avec les boîtiers et la première couche conductrice interne. Ainsi, la première couche conductrice déjà existante dans une carte multicouche connue, pour connecter à la masse des bornes des composants électroniques, est réutilisée, selon l'invention, pour conduire la chaleur émanant de composants électroniques. Les modifications substantielles de la carte consistent essentiellement en la perforation de premiers trous métallisés thermoconducteurs sous et autour des aires d'implantation des boîtiers de composants électroniques et en le remplissage de soudure. Ces deux opérations peuvent être effectuées par des machines automatiques, ce qui n'augmente que faiblement le coût de la carte. La carte imprimée peut être munie de rubans conducteurs internes coplanaires pour relier des secondes bornes d'alimentation des composants électroniques a au moins une source de tension. Dans ce cas, l'invention prévoit une seconde couche conductrice interne coplanaire aux rubans conducteurs internes, isolée de ceux-ci et en contact thermique intime avec les premiers trous thermoconducteurs. La seconde couche augmente la capacité 'de drainage de chaleur de la carte, sans pour cela augmenter l'épaisseur de la carte. Comme on le verra dans la suite, l'invention prévoit au niveau de l'interface entre les boitiers de composants électroniques 'et les trous thermoconducteurs des moyens pour améliorer un transfert de chaleur vers les couches conductrices internes et donc diminuer la température de fonctionnement de chaque bolier. Les couches internes aménagées en conséquence drainent les calories vers un radiateur statique fixe à un bord métallisé double face de la carte. Le radiateur reçoit les calories a travers de seconds trous métalisés thermoconducteurs reliant les couches conductrices internes à des parties du radiateur enserrant le bord métallisé. L'invention est d'une efficacité moindre qu'un dispositif à source froide a circulation d'eau dans la mesure même où la source froide a une impédance thermique plus - élevée. Cependant, l'invention permet de résoudre économiquement certains problèmes thermiques dans des équipements dont la puissance installée ne justifie pas d'évacuation forcée des calories. L'efficacité est directement liée à une optimisation de la source froide, telle que radiateur, et à des règles d'implantation des composants électroniques spécifiques telles que - répartition des sources thermiques principales au plus près de la source froide - tracé des rubans conducteurs aménagé en vue d'une réduction de l'impédance thermique de couches internes. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de plusieurs réalisations préférées de l'invention en référence aux dessins annexés correspondants, dans lesquels - la Fig. 1 est une vue en coupe d'une partie d'une carte imprimée multicouche selon l'invention, supportant un boiter de circuit intégré et bordée par un radiateur - la Fig. 2 est une vue de dessus au niveau d'une première couche conductrice interne reliée à la terre, pour la partie de carte montrée à la Fig. 1 - la Fig. 3 est une vue de dessus au niveau d'une seconde couche conductrice interne et de rubans conducteurs internes d'alimentation pour la partie de carte montrée à la Fig. 1 ; et - la Fig. 4 est une vue de la face supérieure de la partie de carte montrée à la Fig. 1, supportant le boîtier de circuit intégré. Comme montré à la Fig. 1, une carte imprimée double face et multicouche 1 selon l'invention comporte quatre couches conductrices électriquement en cuivre -ou plus-, parallèles aux faces de la carte et séparées par trois couches isolantes en résine époxy. Une première couche conductrice externe est disposée sur une première face de la carte, telle que la face inférieure de la carte 1. La première couche conductrice externe est constituée par des rubans conducteurs 10 reliant entre elles des bornes de composants électroniques supportés par la seconde face de la carte, ici la face supérieure de la carte, et par des conducteurs électriques et thermiques 11 et 11R. Une première couche conductrice interne est noyée dans la carte 1 et est séparée de la première couche conductrice externe 10-11 par une couche isolante 12.La première couche conductrice interne est constituée par une couche conductrice électrique et thermique 13 s'étendant sur toute la surface de la carte 1 et reliant des premières bornes d'alimentation des composants électroniques à la masse. Une seconde couche conductrice interne est également noyée dans la carte 1 au-dessus de la couche 13 et séparée de la couche 13 par une seconde couche isolante 14. La seconde couche conductrice interne est constituée par des rubans conducteurs 15+, visibles à la Fig. 3, reliant des secondes bornes d'alimentation des composants électroniques à des bornes positives d'au moins une source de tension, et par une couche conductrice électrique et thermique 16 s'étendant sur le reste de la carte et reliant également les premières bornes d'alimentation des composants électroniques à la masse.Une seconde couche conductrice externe est déposée sur la face supérieure de la carte 1 et est constituée par des zones conductrices 17 et 17R s'étendant au moins au-dessous des composants électroniques dissipants et d'un talon de radiateur. L'un des composants électroniques supportés par la carte imprimée 1 est représenté sous la forme d'un bottier parallélépipédique de circuit intégré 2 dans les Figs. 1 et 4. Le bottier 2 est du type DIL ("dual-in-line package" en anglais) et comporte deux rangées de broches conductrices 20 saillantes sous les cotés longitudinaux du bottier 2. Deux broches voisines dans l'une des rangées sont espacées d'un pas standard p = 2,54 mm. Les broches 20 traversent des trous métallisés 18 dans la carte 1, remplis de soudure 7. Une broche 20 constitue une première borne d'alimentation iu circuit intégré 2 et est reliée aux couches conductrices internes 13 et 16 à travers un trou métallisé 18 , comme montre aux Figs. 2, 3 et 4.Une autre broche 20+ constitue une seconde borne dtalimentation du circuit intégré 2 et est reliée à un ruban conducteur 15+ à travers un trou métallisé 18+. Comme montré aux Figs. 2 et 3 de la matière isolante de la carte, telle que résine époxy, isole le trou métallisé 18+ par rapport aux couches 13 et 16 et isole le ruban conducteur 15+ par rapport à la couche 16. Les autres broches 20 du bottier de circuit intégré 2 sont reliées à des rubans conducteurs 10 à travers des trous métallisés 18 isolés des couches 13 et 16 par des épargnes cylindriques en matière isolante. Au moins sous le bottier de circuit intégré 2 sont pratiqués des trous métallisés 19 dans la carte 1. Par exemple trois trous 19 sont équirépartis entre deux broches 20 disposées en vis-à-vis sur les cotés longitudinaux du boîtier et quatre trous 19 sont équirépartis entre deux paires voisines de broches en vis-à-vis. Cependant, de préférence, les trous métallisés 19 sont répartis en fonction des points chauds du bottier 12 et donc de la répartition du ou des modules de composant électronique contenus dans le bottier 2. Les trous métallisés 19 sont en contact avec les couches internes 13 et 16 et une zone conductrice externe 17 sous-jacente au boîtier 2, ainsi qu'avec des pastilles conductrices formant les conducteurs 11 sur la face inférieure de la carte. Les trous 19 servent à conduire la chaleur émanant du bolier 2 vers les couches 13 et 16 constituant un drain composite thermique interne à la carte 1. La chaleur drainée par les couches 13 et 16 est évacuée par un radiateur statique 3. Comme montré #aux Figs. 1 et 4, le radiateur est fixé au niveau de l'un des bords de la carte 1, ici le bord métallisé double face à droite. Le radiateur 3 a des dimensions et formes appropriées et peut être sous la forme classique d'un profile en aluminium extrudé. Le radiateur comporte une plaque plane rectangulaire 30 perpendiculaire à la carte 1 et en bordure de celle-ci et un talon rectangulaire 31 parallèle à la carte et recouvrant la face supérieure métallisée du bord. La plaque 30 du radiateur est munie d'ailettes 32, ici au nombre de quatre, afin de rayonner la chaleur captée par le radiateur.Une barrette en matériau bon conducteur thermique 33 ayant des dimensions analogues à celles du talon 31 du radiateur 3 est disposée sous la face inférieure métallisée de la carte 1 au niveau du bord. Le bord de la carte est enserré fermement par le talon 31 et la barrette 33 au moyen de vis de serrage 34 traversant le talon 31 et la carte 1 et vissées dans la barrette 33. Le serrage de la carte 1 entre le talon 31 et la barrette 33 est élevé afin de réduire les discontinuités éventuelles entre les surfaces parfaitement polies du talon 31 et de la barrette 33 en contact avec les faces de la carte 1 et ainsi diminuer la résistance thermique de contact. Le transfert de la chaleur à partir des couches conductrices internes 13 et 16 vers le radiateur 3 est effectué à travers des trous métallisés 19R analogues aux trous 19, pratiqués dans le bord de la carte entre le talon 31 et la barrette 33. Selon la réalisation illustrée, quatre rangées de trous 19R sont pratiquées parallèlement au bord de la carte 1. Les trous 19R peuvent être disposés en quinconce. Des zones conductrices 11R et 17R sont prévues sur les faces inférieure et supérieure de la carte et relient les trous métallisés 19R aux faces en regard de la barrette 33 et du talon 31. La carte 1 supporte également des moyens intermédiaires entre la face supérieure de la carte 1 et le boîtier 2 pour répartir la chaleur émanant du boiter sur une surface de la carte plus grande que celle du boîtier et donc augmenter la conductibilité thermique entre le boîtier 2 et les trous conducteurs thermiques 19. Les moyens pour répartir la chaleur sont sous la forme d'une plaquette rectangulaire en cuivre 5 montrée aux Figs. 1 et 4. La plaquette 5 s'étend axialement sous le boîtier 2 entre les broches 20 et est plus longue que le 'boîtier afin de répartir la chaleur transmise par le boîtier sur une grande zone métallisée 17 de la face supérieure de la carte recouverte entièrement par la plaquette 5. Typiquement, la conductibilité thermique de la plaquette 5 est de l'ordre de 400 W/m. 0C, ce qui confère à la plaquette 5 le rôle d'un véritable shunt thermique. La plaquette 5 peut s'étendre jusqu'au radiateur 3 et etre fixée à celui-ci pour encore améliorer le bilan de transfert thermique. Le contact thermique mettre la plaquette 5 et les couches de drainage thermique 13 et 16 noyées dans la carte est obtenu par colmatage des trous 19 avec de la soudure 7. Les trous 19 sont remplis de soudure 6 par passage d'une vague de soudure sous la face inférieure de la carte i. Le passage à la vague permet également de souder les broches 20 du. boîtier dans les trous métallisés 18 de la carte. Afin d'évacuer l'air dans les trous 19 lors du passage de la vague de soudure et éviter une formation de bulles d'air dans les trous nuisant à la conductibilité thermique, la face inférieure de la plaquette 5 est striée. Comme montré à la Fig. 1, au moins une strie transversale 50 débouche dans chaque trou 19. Les stries sont obtenues par électro-érosion par exemple. Lors du soudage, la plaquette 5 est pressée contre la face supérieure de la carte, et de la soudure 7 remplit pratiquement complètement les trous 19 jusque dans les stries 50 surplombant les trous et soude la plaquette 5 à la carte 1. Le remplissage des trous 19 par de la soudure' abaisse ainsi la résistance thermique entre la plaquette 5 et les couches 13 et 16 . Entre la face inférieure du boîtier 2 et la plaquette 5 sont prévus des moyens pour réduire la résistance de contact thermique entre le boîtier 2 et la plaquette 5 et donc entre le boîtier 2 et les couches de drainage thermique 13 et 16 . Les moyens pour réduire la résistance de contact thermique sont sous la forme d'une lamelle souple 6 en céramique plastique, de préférence en silicone chargé. La lamelle 6 est disposée sous le boîtier 2 entre les deux rangées de broches 20 et sur la plaquette 5. L'épaisseur de la lamelle est faible, de l'ordre de 0,25 mm, comparativement à l'épaisseur de la plaquette 5 de l'ordre de 1 mm. Comme montré à la Fig. 4, la lamelle 6 est recouverte par le boîtier 2 et a une largeur au plus égale à la largeur du boîtier 2 mais au moins égale à la largeur de la plaquette 5. La lamelle 6 a une longueur au moins égale à la longueur du boîtier 2 et peut déborder de chaque coté du boîtier. La lamelle 6 est ici collée sur la face supérieure de la plaquette 5. Le boîtier 2 est pressée contre la lamelle 6 au cours du soudage afin que le boîtier soit en contact intime avec la lamelle 6. La faible dilatation de la lamelle 6 sous l'effet de la chaleur provenant du boîtier 2 confère une adhésion parfaite du boîtier sur la lamelle. Ceci évite toute discontinuité de contact entre le boîtier et la lamelle, et en particulier, la présence de poches d'air entre le boîtier 2 et la lamelle 6 qui provoquerait une élévation de la résistance thermique. Selon une autre variante, la lamelle 6 peut etre une lamelle molle en indium ou etre remplacée par une graisse au silicone. Ainsi, grâce à l'interface constituée par la lamelle 6, la plaquette 5,la soudure 7 et les trous 19, la majeure partie des calories émanant du boîtier 2 est transférée aux couches 13 et 16#. Ces dernières couches noyées dans la carte 1 transfèrent les calories vers le radiateur 3 en réduisant la dissipation thermique. L'épaisseur des couches thermoconductrices 13 et 16 est généralement plus importante que l'épaisseur des rubans 15+ et 10 se trouvant dans et sur des cartes de circuit imprimé multicouche selon la technique antérieure, afin d'écouler une quantité élevée d'énergie thermique. Typiquement, l'épaisseur des couches 13 et 16 est de l'ordre de 2 à 4 fois l'épaisseur standard de 35 pm. Bien que l'invention soit décrite ci-dessus pour des boîtiers du type DIL, une carte 1 selon l'invention peut supporter des boîtiers plats de composant électronique du type "flat pack". Par ailleurs, une carte imprimée selon l'invention peut comprendre plusieurs couches internes analogues à la couche 13 ou un drain massif interne. REVEND ICATIONS 1 - Carte imprimée multicouche (1) comprenant une première couche conductrice interne (13 ) reliée à la masse et des trous métallisés (18 ) reliant des premières bornes d'alimentation (20 ) de boîtiers de composants électroniques (2) à la première couche conductrice interne (13 ), les boîtiers étant fixés sur la carte (1), caractérisée en ce qu'elle comprend des premiers trous métallisés thermoconducteurs (19) remplis de soudure (7), répartis au moins sous les boîtiers (2) et en contact thermique intime avec les boîtiers (2) et la première couche conductrice interne (13~). 2 - Carte imprimée conforme à la revendication 1 comprenant des rubans conducteurs internes coplanaires (15+) et d'autres trous métallisés (18+) pour relier des secondes bornes d'alimentation (20+) des boîtiers de composants électroniques (2) à au moins une source de tension, caractérisée en ce qu'elle comprend une seconde couche conductrice interne (16 ) coplanaire auxdits rubans conducteurs internes (15+), isolée de ceux-ci et en contact thermique intime avec les premiers trous thermoconducteurs (19). 3 - Carte imprimée conforme à la revendication 2, caractérisée en ce que les couches conductrices internes (13 , 16 ) sont plus épaisses que les rubans conducteurs internes (15+) et de rubans conducteurs externes (10) de la carte (1). 4 - Carte imprimée conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend un bord recouvert de deux zones conductrices externes (lit, 17R) sur les deux faces de la carte (1), des seconds trous métallisés thermoconducteurs (19R) reliant les couches conductrices internes (13 , 16 ) aux zones conductrices externes (llR, 17R), et des moyens metalliques d'évacuation de chaleur (3) comprenant deux parties (31, 33) enserrant ledit bord et recouvrant lesdites deux zones conductrices externes (lit, 17R). 5 - Carte imprimée. conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend une zone conductrice externe (17) sous-jacente à chaque boîtier (2). 6 - Carte imprimée conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (5, 17) entre chaque boîtier (2) et une face de la carte (1) supportant le boîtier (2) pour répartir #la chaleur émanant du boîtier sur une surface de la carte plus grande que la face du boîtier en regard de la carte, lesdits moyens pour répartir la chaleur étant en contact thermique intime avec des premiers trous métallisés thermoconducteurs (19). 7 - Carte imprimée conforme à la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens pour répartir la chaleur comprennent une plaquette conductrice (5), de préférence en cuivre, ayant une surface plus grande que la face du boîtier (2) en regard de la carte (1) et solidaire de la carte par la soudure (7) remplissant des premiers trous thermoconducteurs (19) fermés par la plaquette (5). 8 - Carte imprimée conforme à la revendication 5 et à la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que la zone conductrice externe (17) sous-jacente à chaque boîtier (2) est recouverte par la plaquette -(5) et a une surface plus grande que la face du boîtier en regard de la #carte (1). 9 - Carte imprimée conforme à la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que la face de la plaquette (5) en regard de la carte (5) comporte des stries (30) débouchant vers l'extérieur et à l'embouchure des premiers trous thermoconducteurs (19) fermés par la plaquette (5). 10 - Carte imprimée conforme à l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (6) pour réduire la résistance de contact thermique entre le boîtier (2) et la plaquette (5). 11 - Carte imprimée conforme à la revendication 10, caractérisée en ce que les moyens pour réduire la résistance de contact thermique comprennent une lamelle souple (6), de préférence en céramique plastique telle que silicone chargé, ou une lamelle molle, de préférence en indium, collée sur la plaquette (5) et en contact thermique intime avec la face du boîtier (2) en regard de la carte (1). 12 - Carte imprimée conforme à la revendication 11, caractérisée en ce que la lamelle (6) est remplacée par une couche de graisse de préférence au silicone.