Brevet FR2569306A1 — publié le 19860221

La présente invention concerne un équipement de refroidissement pour puces à circuits intégrés. Dans les circuits intégrés montés sur une pla- que-tte imprimée ou sur un substrat en céramique, on utili- se généralement un équipement de refroidissement par air. Dans un tel équipement, l'air de refroidissement est souf- flé contre le radiateur de chaleur ou le bottier. Cepen- dant, l'utilisation d'air comme milieu de refroidissement pour extraire la chaleur d'un circuit imprimé présente des inconvénients et soulève des problèmes pour les raisons suivantes. La première raison est la nécessité de dispo- ser d'une capacité de climatisation relativement élevée de manière à abaisser la température de l'air car la dif- férence de température entre le radiateur ou le bottier du circuit intégré et l'air est importante. Une grande quan- tité d'air doit être envoyée dans l'ensemble de manière à extraire la chaleur dégagée par l'ensemble, car la capaci- té calorifique de l'air est faible. En outre, les processeurs moder- nes de données comprennent des circuits intégrés de grande densité et de puissance élevée dans le but d'accélérer le traitement et la transmission des signaux, augmentant ain- si tant la quantité de chaleur que la densité de la cha- leur dégagée. Par conséquent, le climatiseur a besoin d'une capacité élevée et, à l'intérieur de l'ensemble, un venti- lateur doit provoquer un courant d'air important et présen- ter une possibilité d'échappement de manière à compenser la réduction du trajet d'air à l'intérieur de l'ensemble qui est due au montage des composants suivant une densité élevée et à extraire de l'ensemble la grande quantité de chaleur. La nécessité de disposer d'un climatiseur présen- tant une grande capacité de refroidissement et un débit élevé peut être également à l'origine de bruits excessifs. En outre, comme il est difficile de répartir également le courant d'air dans l'ensemble, la température des circuits imprimés peut s'élever localement, provoquant une détério- ration de la fiabilité de l'ensemble. Pour éviter ces défauts, un exemple d'ensem- bles de refroidissement par liquide est proposé dans un article intitulé "A Conduction-Cooled Module for High-Per- formance LSI Devices" (module refroidi par conduction pour dispositifsà intégration à grande échelle de hautes perfor- mances),de S. Oktay et collaborateurs, publié dans IBM J. Res. Develop., Vol. 26, N 1, Janvier 1982, pages 55-56. En liaison avec la figure 1(b) de l'article, la surface d'une puce montée sur le substrat est mise en contact avec un piston rappelé par ressort de sorte que la chaleur pro- venant de la puce est acheminée par conduction jusqu'à un "chapeau" via le piston et de l'hélium. Le chapeau est re- froidi par un milieu réfrigérant qui utilise un radiateur à plaquesfroidesrefroidiespar eau. Le module proposé par Oktay et collaborateurs a les inconvénients suivants. Tout d'abord, étant donné que la puce en semiconducteur est en contact mécanique avec le piston, il est impossible d'obtenir un isolement électrique entre la puce et le milieu réfrigérant. Comme le milieu réfrigérant est connecté électriquement à la bor- ne de masse d'un compresseur ou d'une pompe en provoquant la circulation, en cas d'utilisation d'un milieu réfrigé- rant conducteur, il peut y avoir un mauvais fonctionnement de la puce. Ensuite, un système vibrant correspondant à l'équation Wo = /K7/m (W0 représente la fréquence angulai- re sympathique, K la constantedu ressort et m la masse du piston) est constitué par le piston et le ressort. Si l'énergie comportant un élément à fréquence résonnante provenant de l'extérieur soumet le module à une certaine pression, la vibration du piston peut entraîner la destruc- tion de la puce. Enfin, une transformation par fluage peut se produire car la soudure servant à la connexion du substrat est toujours soumise à une pression mécanique. Cette transformation est particulièrement importante dans. le cas de l'utilisation d'une soudure ayant un bas point de fusion. Un objet de la présente invention est par conséquent un équipement de refroidissement et son pro- cédé d'assemblage, qui donne de meilleuresperformances d'acheminement de la chaleur pour des puces à circuits intégrés et l'équipement utilisant de telles puces. Un autre objet de la présente invention est un équipement perfectionné de refroidissement qui ne pro- voque pas un mauvais fonctionnement de la puce, ou son endommagement. Selon un mode de réalisation de la présente invention, on prévoit un système de refroidissement com- prenant au moins un piston ayant une première surface si- tuée à l'opposé d'une puce montée sur un substrat, une se- conde surface pour faire coulisser le piston dans une di- rection perpendiculaire au substrat, un trou fileté dans le piston pour recevoir une vis, et une partie à fente dans le centre de l'axe du trou fileté qui est soumise à une extension lors du vissage de la vis dans le trou. Un ensemble à chapeau peut être fixé au substrat et comporte une pluralité de cavités destinées à recevoir les pistons. L'emplacement du piston est ajusté et fixe dans la cavi- té par l'extension du piston provoquéenar le fait que les vis atteignent un interstice optimum par rapport à la pu- ce pour faciliter un transfert efficace de chaleur sans liaison mécanique. Un équipement de refroidissement fixé à la plaque de l'ensemble à chapeau comporte un orifice d'entrée et un orifice de sortie pour la circulation du milieu réfrigérant. D'autres caractéristiques de l'invention appa- raitront au cours de la description qui va suivre. Sur les dessins: la figure 1 est une vue en coupe d'un premier mode de réalisation de l'invention; les figures 2A, 2B, 2C, 3 et 4 représentent la structure détaillée du piston de la figure 1; la figure 5 est une vue en coupe d'un second mode de réalisation de l'invention; les figures 6A, 6B et 7 représentent la struc- ture détaillée du piston de la figure 5; la figure 8 est une vue en coupe de l'appareil permettant la circulation du courant du milieu réfrigérant; et la figure 9 est une vue encoupe d'un troisième mode de réalisation de l'invention. En figure 1, un système de refroidissement se- lon la présente invention comprend un chapeau 17 dans le- quel des pistons 15 peuvent être insérés, des châssis 18 de maintien d'un substrat 12, des vis 19 de fixation des châssis 18 au chapeau 17, et une plaque de refroidisse- ment 20 fixée au chapeau 17 qui comporte un trajet inter- ne de refroidissement 23 présentant une ouverture d'entrée 21 et une ouverture de sortie 22. Des puces 11 sont fixées au substrat 12 par de la soudure 13, respectivement. Les pistons 15 sont placés de façon qu'il y ait de petits in- terstices 14 entre les surfaces supérieures des puces et les surfaces opposées des pistons. Le facteur le plus im- portant qui détermine l'aptitude au refroidissement selon la présente invention est la largeur des interstices 14, de sorte qu'un objet de la présente invention est de ren- dre l'interstice aussi peu épais que possible. D'une façon générale, étant donné que les pu- ces 11 sont fixées au substrat 12 par de la soudure 13, et que la plage de variation de l'épaisseur de la soudure 13 est normalement supérieure à 100 microns, on peut con- sidérer comme impossible que les interstices 14 aient une épaisseur inférieure à 100 microns. Au contraire, selon la présente invention, on peut réaliser des interstices 14 ayant une épaisseur inférieure à 100 microns en procé- dant comme décrit ci-après. Tout d'abord, on place des entretoises (non re- présentées en figure 1),réalisées par exemple en feuille de matériau dit Téflon d'une épaisseur de 50 microns, sur les puces 11, après soudage des puces sur le substrat 12. Ensuite, on fixe le chapeau 17 au châssis 18 au moyen des vis 19. Alors, on insère les pistons 15 dans des trous25 du chapeau 17 et on visse les vis 16 dans les trous 25 (en figure 2A) des pistons 15 en suivant un mode opératoire décrit ci-après en détail de sorte que les pistons sont comprimés sur les entretoises et les puces 11, et la posi- tion des pistons dans le chapeau est fixe. Ensuite, on enlève les vis 19, et démonte le châssis pour l'enlever du chapeau de sorte qu'on peut ex- traire les entretoises. On remonte alors le chassis et le chapeau avec les vis 19 de sorte qu'un interstice 14 cor- respondant aux entretoises se trouve produit entre les pis- tons et les puces. On procèdera maintenant à l'explication du pro- cédé grace auquel les pistons 15 sont fixés au chapeau. En liaison avec les figures 2A, 2B et 2C, chaque piston est cylindrique, comporte à son centre un trou fileté , et présente une fente 24 suivant son axe. En liaison avec la figure 3, le trou et la vis ont une forme telle qu'ils ont le même contour, mais qu'il y a un intersti- ce 28 entre eux. En liaison maintenant avec la figure 4, lors- que la vis est vissée dans le trou fileté, la surface de la vis 16 est en contact avec la surface du trou 25, de sorte qu'il y a production d'une pression 29. La pression 29 a des composantes dans le sens du diamètre (30) et dans celui de l'axe (31). Comme la composante 30 de la pression dans le sens du diamètre a pour effet d'élargir la fente 24 du piston 15, la surface cylindrique extérieure de ce piston et la surface intérieure de la cavité sont en con- tact, de sorte que le piston 15 est fixé par frottement au chapeau 17. De nouveau en liaison avec la figure 1, après établissement de l'interstice 14 pour toutes les puces 11, on fixe la plaque de refroidissement 20 à la surface supé- rieure du chapeau 17. Le milieu réfrigérant est amené à circuler suivant le trajet 23 et la chaleur est transférée des puces au milieu réfrigérant en passant par les intersti- ces, les pistons, le chapeau et les plaques de refroidisse- ment. On remarquera que ce système n'a pas les inconvénients de l'art antérieur en ce sens qu'il n'y a aucune liaison électrique ou mécanique entre la puce et le piston et que le piston n'a pas la possibilité de vibrer. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, lorsqu'on visse la vis 16 pour fixer le piston 15 au cha- peau 17, le piston 15 peut être amené à tourner. Environ % du couple exercé par le vissage de la vis 16 sont transformés en puissance de frottement, et seuls les 10 autres pourcents du couple sont utilisés pour le vissage dans le sens de l'axe. Par conséquent, la composante de pression 29 agissant dans le sens du diamètre est rela- tivement inférieure au couple.I1 en résulte que le de- gré de fixation du piston 15 à la surface du trou du chapeau 17 devient relativement petit. Pour surmonter cet inconvénient, on procède- ra à l'explication d'un second mode de réalisation de la présente invention. En liaison avec la figure 5, un système de re- froidissement selon la présente invention comprend un cha- peau assemblé 17 qui comporte des cavités 4 et des guides ou butées 41. La combinaison des cavités 4 et des guides forme et définit des parties concaves pour le chapeau ayant une cote supérieure à celle des cavités 4, représentées en 3. Le châssis 18 est fixé au chapeau 17 par des vis 19. On introduit par coulissement dans les trous 4 des pistons destines à recevoir des vis 16 et comportant une par- tie à butée 42. Une plaque de refroidissement 20 comportant un orifice d'entrée 21 et un orifice de sortie 22 est fixée au chapeau assemblé 17. Un substrat 12 avec des puces 11 est fixé au chapeau 17 et au châssis 18 de sorte qu'un pe- tit interstice 14 est produit entre la surface des puces et la partie à butée 42 des pistons 15. En liaison avec les figures 6A et 6B, on verra qu'une fente 24' a été pra- tiquée au centre de l'axe du piston 15 et s'étend jusqu'à la butée 42. On remarquera que la partie à butée est carrée et a une cote telle que, lorsqu'elle est animée d'un mouve- ment de rotation, elle viendra en contact avec un guide 41 pour éviter la rotation du piston. On expliquera maintenant le procédé de montage du second mode de réalisation de l'invention. En liaison avec les figures 5, 6A, 6B et 7, on inverse le chapeau assemblé 17. Ensuite, on introduit par coulissement l'un des pistons 15 dans la cavité 4 jusqu'à la partie à butée 42. On visse la vis 16 dans le trou fi- leté 25' du piston 15. De cette manière le piston 15 est fixé temporairement au chapeau assemblé. Dans ce mode opé- ratoire, la rotation de la partie à butée 42 est arrêtée par le guide 41. On fixe temporairement les autres pistons 15 au chapeau 17 en suivant le même processus. Ensuite, on monte des entretoises (non représentées dans les figures) d'une épaisseur de 50 microns sur les parties à butée 42 des pistons 15; puis, on fixe le substrat 12 au chapeau 17 par le chassis 18 et les vis 19 de sorte que les puces 11 montées sur le substrat 12 sont en regard des parties à butée 42. Ensuite, on retourne de nouveau le chapeau. Puis, on desserre les vis 16, de sorte qu'il y a suppression de la fixation temporaire despistons 15. On fait alors coulis- ser les pistons 15 de façon que les parties à butée 42 et les entretoises soient en contact avec les puces. Ensuite, on visse de nouveau les vis 16, de sorte que les pistons sont fixés au chapeau 17. Dans cette étape également, la rotation des pistons 15 est empêchée par la venue en butée des parties 42 avec les guides 41. Apres fixation des pistons au chapeau, on enlève le substrat 12 et reti- re les entretoises. Puis on fixe de nouveau le substrat 12 au chapeau 17. Grâce à ce mode opératoire, un petit interstice 14 ayant les dimensions désirées se trouve for- mé entre les puces 11 et les parties à butée 42 des pis- tons. Enfin, on fixe la plaque de refroidissement 20 au sommet du chapeau. Dans l'un et l'autre mode de réalisation, on peut revêtir la vis 16 avec un matériau 43 permettant de réduire le frottement, comme illustré en figure 7. Pour être utilisé à titre de matériau lubrifiant 43, un lubri- fiant solide, par exemple, de la poudre de silicium ou de nitrure de molybdène, est meilleureque la graisse ou l'hui- le de machine. Cependant, on peut utiliser de la graisse ou de l'huile de machine. Le matériau 43 permettant la di- minution du frottement est appliqué tant sur la vis 16 que 2569S306 sur le trou fileté 25. En liaison maintenant avec la figure 8, on procèdera à la description d'un mode de réalisation de la plaque de refroidissement. Comme illustré, le trajet de refroidissement 20 présente des circonvolutions, et les pistons 15 sont disposés dans une matrice 6 x 6. Le trajet de refroidissement est situé sur un rangée,ou li- gne,des pistons 15, puis s'inverse, et se trouve sur une autre rangée,ou ligne,de pistons 15. Comme le trajet 20 se trouve à proximité des pistons 15, tous ceux-ci sont refroidis d'une façon uniforme et efficace. Comme le ré- frigérant n'est pas lui-même en contact avec les circuits intégrés, on peut utiliser n'importe quel matériau appro- prié. En particulier, un réfrigérant liquide ayant une capacité calorifique élevée peut être employé. Des réfri- gérants appropriés contiendront de l'eau. En liaison maintenant avec la figure 9, dans ce mode de réalisation, l'interstice 14 séparant les pu- ces 11 et les parties à butée 42 des pistons est rempli d'un matériau 32 de manière à améliorer le transfert de chaleur. Ce matériau peut être, par exemple, une poudre de silicium. La présente invention permet d'obtenir un en- semble de refroidissement perfectionné o le contact mé- canique entre les puces et les pistons est éliminé alors qu'on obtient en même temps un transfert de chaleur effi- cace. Selon la présente invention, les surfaces extérieu- res des pistons 15 sont en contact étroit avec les surfa- ces intérieures des trous 4 du chapeau 17, de sorte qu'il peut y avoir amélioration de la conduction de la chaleur et de l'efficacité du système de refroidissement. D'autre part, la résistance mécanique est accrue, de sorte que la fiabilité du système peut être meilleure. REVENDICATIONS 1. Dispositif de refroidissement pour compo- sants électroniques dégageant de la chaleur montéssur un substrat, caractérisé en ce qu'il comprend: un chapeau assemblé (17) destiné à être fixé au substrat (12), ce chapeau assemblé comportant une plu- ralité de cavités (4) destinées arecevoir des pistons en coulissement, chaque cavité étant placée à l'opposé de chacun des composants électroniques (11); des pistons (15) destinés à être reçus en cou- lissement dans les cavités du chapeau assemblé et qui, après placement dans les cavités, ont une surface généra- lement parallèle à la surface des composants; des moyenspour régler la distance entre les sur- faces des pistons et les composants à une valeur désiréeafin de permettre le transfert de chaleur entre les pistons et les composants; un moyen ( 16) pour fixer les pistons dans la position désirée dans les cavités correspondant à la distance désirée; et un moyen de refroidissement (20) fixé au cha- peau assemblé pour en extraire la chaleur. 2. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le moyen de refroidissement est une pla- que (20) fixée au chapeau assemblé (17), qui comporte un trajet interne de refroidissement (23) que traverse le ré- frigérant liquide. 3. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que chaque piston (15) comporte une fente lon- gitudinale (24,24') ménagée à son centre,un trou fileté (25) au centre du piston et une vis (16) destinée à être vissée dans le trou de sorte que la fente est soumise à une exten- sion pour provoquer un contact par friction de la surface extérieure du piston avec les parois de la cavité dans la- quelle le piston est monté. 4. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que chaque piston a une section à l'une de ses extrémités contiguë aux composants, qui est plus gran- de que la cavité, et en ce que les chapeaux assemblés (17) présentent des saillies (41) contiguës à ces sections qui vien- dront en contact avec les sections pour éviter la rotation des pistons. 5. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les pistons sont cylindriques. 6. Procédé de fabrication d'un ensemble élec- tronique refroidi, comprenant les étapes suivantes: (a) la fourniture d'un substrat (12) sur lequel sont montés plusieurs composants électroniques dégageant de la chaleur (11); (b) la fourniture d'un chapeau assemblé (17) qui peut être fixé au substrat, ayant des cavités (4) dans lesquelles des pistons (15) Présentant des moyens (16) de fixation de leur position dans les cavités ont été montés en cou- lissement, les cavités étant situées de manière à être contiguës aux composants lorsque hesubstrat et le chapeau assemblé sont réunis; (c) le placement d'entretoises sur les compo- sants électroniques correspondant à un interstice désiré (14) entre les composants électroniques et les pistons (15); (d) la fixation temporaire du chapeau assem- blé au substrat; (e) l'introduction par coulissement des pis- tons pour les amener en contact avec les entretoises et la fixation des pistons dans leurs cavités respectives; (f) le démontage du chapeau assemblé pour l'enlever du substrat et l'enlèvement des entretoises; (g) le remontage du chapeau assemblé et du substrat, d'o la formation d'un interstice entre les pistons et les composants;et (h) l'alimentation du chapeau assemblé avec un milieu réfrigérant. 7. Procédé selon la revendication 6, caracté- risé en ce qu'il comporte en outre l'étape de fourniture d'une section (42) sur les pistons plus grande que les cavités contiguë aux composants et la fourniture d'un élément (41) sur le chapeau assemblé pour venir en contact avec la section afin d'éviter la rotation du piston. 8. Procédé selon la revendication 6, caractéri- sé en ce que le moyen de fixation comprend une fente (24) ménagée dans le piston, dans laquelle une vis (16) est vis- sée de manière à étendre les c6tés du piston pour les ame- ner en contact avec les côtés de la cavité.