Brevet FR2583921A1 — publié le 19861226

1. La présente invention concerne un module de refroi- dissement par liquide de petits composants électroniques dégageant la chaleur. Un module de refroidissement par liquide de l'art antérieur assure le refroidissement de puces à intégration à très grande échelle qui sont montées sur une face d'un substrat en céramique. Les puces sont respectivement enfer- mées dans des évidements ménagés dans une surface d'un élé- ment conducteur de la chaleur qui est en contact thermique avec un élément de refroidissement par liquide. Des vis sont utilisées pour accoupler l'élément conducteur de la chaleur et l'élément de refroidissement afin d'assurer entre eux un bon contact thermique face contre face. Pour assurer un refroidissement efficace par conduction de la chaleur, il est important que les vis soient fabriquées avec des toléran- ces étroites afin de permettre un serrage précis et que les surfaces de l'élément conducteur de la chaleur et de l'élé- ment de refroidissement par liquide soient polies avec le fini d'un miroir.Mais pour obtenir des surfaces ayant le fini d'un miroir qui soient totalement plates, les 2. éléments de contact doivent avoir une épaisseur suffisante pour empêcher leur gauchissement lors du processus de polis- sage, ce qui se traduit par une diminution de l'efficacité de la conduction de la chaleur. Un autre inconvénient est qu'on doit prendre le plus grand soin à serrer les vis de façon que le contact face à face entre les éléments venant en contact soit uniforme à tous les points des surfaces de contact. Par conséquent, un objet de la présente invention est un module de refroidissement par liquide qui soit effi- cace pour la conduction dela chaleur et permette une fabri- cation simple. Plus spécifiquement, le module de refroidissement par liquide de la présente invention comprend un substrat sur lequel sont montés des composants dégageant de la chaleux qui doivent être refroidis, un élément conducteur de la cha- leur fixé au substrat enfermant les composants dégageant de la chaleur et un élément de refroidissement par liquide ayant une chambre dans laquelle circule un liquide. L'élément con- ducteur de la chaleur comporte une paire de moyens d'accouplE ment à deux mouvements, l'un de chaque côté, et l'élément de refroidissement par liquide incorpore une paire de moyens d'F couplement à deux mouvements pouvant venir respectivement en contact avec le moyen d'accouplement à deux mouvements de l'élément conducteur de la chaleur lorsqu'ils sont rapprochéE l'un de l'autre dans une première direction, puis déplacés dans une seconde direction l'un par rapport à l'autre, cette seconde direction étant perpendiculaire à la première. Un réseau d'éléments de contact élastiques, conducteurs de la cl -leur, est disposé entre l'élément conducteur de la chaleur et de l'élément de refroidissement par liquide. Une plaque com- portant un réseau d'ouvertures correspondant aux éléments de contact est montée en coulissement sur ces derniers afin de les maintenir en compression et permettre le déplacement du moyen d'accouplement de l'élément conducteur de la chaleur 3. et de l'élément de refroidissement par liquide dans la se- conde direction alors que la plaque à ouvertures se trouve dans la première position et autoriser les éléments de con- tact à s'étendre partiellement dans les ouvertures corres- pondantes pour établir un contact thermique entre l'élément conducteur de la chaleur et l'élément de refroidissement lorsque l'élément coulissant se trouve dans une seconde position. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins ci-joints dans lesquels: La figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un module de refroidissement par liquide de l'art antérieur; La figure 2 est une vue en coupe d'une partie du module de refroidissement par liquide de l'art antérieur; La figure 3 est une vue en perspective éclatée d'un module de refroidissement par liquide selon la présente inven- tion; La figure 4 est une vue en coupe prise le long des lignes 4-4 de la figure 3; Les figures 5 et 6 sont des vues de côté du module de refroidissement de la figure 3; et La figure 7 est une vue en coupe permettant de dé- crire le fonctionnement de la plaque à ouvertures. Avant de procéder à la description de la présente invention, on se reportera aux figures 1 et 2 dans lesquelles on a représenté un module de refroidissement par liquide de l'art antérieur permettant de refroidir des puces 1 à intégra- tion à grande échelle. Les puces 1 sont montées sur un côté d'un substrat en céramique 2 qui comporte des trous 2a à ses angles de manière à en permettre l'accouplement à un élément conducteur de la chaleur 3 au moyen de vis 5. L'élément 3 comporte une multitude d'évidements 3b correspondant respecti- vement aux puces 1. Des éléments 7 conducteurs de la chaleur sont disposés sur les puces 1 et immergés dans un liquide 8 conducteur de la chaleur à l'intérieur des évidements respec- tifs 3b de manière à assurer une conduction efficace de la 4. chaleur dégagée par les puces 1 vers l'élément conducteur 3. L'élément 3 est en contact thermique avec un élément 4 de refroidissement par liquide, qui procède à son refroidisse- ment, dans lequel un liquide de refroidissement 9 est intro- duit entre un orifice d'entrée 10 et un orifice de sortie 11. Afin d'assurer un contact thermique intime entre faces entre les éléments en contact 3 et 4, on a ménagé une multitude de trous 4a le long des bords et au centre de l'élément de. re- froidissement 4 afin de pouvoir visser des vis 6 dans des trous 3a filetés dans l'élément conducteur 3. Pour assurer une conduction efficace de la chaleur entre l'élément 3 et l'élément 4,il est important que les vis 6 soient fabriquées suivant des tolérances étroites afin de permettre un serrage précis et que les surfaces des éléments 3 et 4 en contact soiei polies pour obtenir le fini d'un miroir. Afin de former des sui ces complètement plates ayant le fini d'un miroir, les élément! en contact doivent avoir une épaisseur suffisante pour éviter leur gauchissement lors du processus de polissage. Mais, l'aug- mentation de l'épaisseur a tendance à dégrader l'efficacité de la conduction de la chaleur. Un autre inconvénient est qu'oi doit exercer le plus grand soin dans le serrage des vis 6 de façon que le contact face à face entre les éléments de contact 3 et 4 soient uniformes dans tous les points des surfaces en contact. En liaison avec la figure 3, on a représenté un module de refroidissement par liquide selon le mode de réali- sation de la présente invention. Ce module de refroidisse- ment comprend un substrat en céramique 20 sur lequel sont mon- tées des puces 1 à intégration à très grande échelle. Un élé- ment 30 conducteur de la chaleur qui est accouplé au substrat par des vis 50 comprend un logement 31 muni d'une multitude d'évidements 32 sur sa face inférieure, comme représenté en figure 4,et un évidement rectangulaire 33 sur son côté supé- rieur. Chacun des évidements 32 du côté inférieur est rempli d'un liquide 34 conducteur de la chaleur, et dans les évide- ments est disposé un élément 35 conducteur de la chaleur en 5. étant placé sur la puce 1 correspondante de manière à condui- re la chaleur dégagée par la puce vers le logement 31. A la surface inférieure de l'évidement 33 du côté supérieur sont fixés des éléments à ressort 36 conducteurs de la chaleur qui sont disposés suivant une matrice dans des positions correspondant de préférence aux emplacements des puces 1. Chaque élément de ressort comporte un ressort à lame ayant une extrémité inférieure plate fixée fermement de manière à fournir des trajets à haute conductibilité thermique en- tre le logement 31 et un élément de refroidissement par liqui- de 40 et une extrémité supérieure incurvée en contact sous pression avec une surface de l'élément de refroidissement 40. Une plaque 37, pouvant coulisser, comportant un réseau d'ouver- tures rectangulaires 37a est montée en coulissement dans une fente 38 sur les éléments de ressort 36 de façon que chaque élément 36 s'étende vers le haut à travers l'une des ouvertu- res correspondantes 37a pour venir en contact avec l'élément de refroidissement 40. L'élément de refroidissement 40 compor- te une chambre 41. Du liquide de refroidissement est intro- duit dans la chambre 41 par passage par un orifice d'entrée 42 et déchargé par passage par un orifice de sortie 43. L'élément 30 conducteur de la chaleur comporte une paire d'encoches 39 sur chacune de ses parois latérales et l'élément de refroidissement 40 présente une paire de pat- tes 44 s'étendant vers le bas à partir de ses parois latéra- les opposées de façon à s'engager dans les encoches 39. Comme représenté en figure 5, la patte 44 comporte une partie s'étendant verticalement 44a et une partie s'étendant hori- zontalement 44b,et l'encoche 39 présente une partie 39a s'étendant verticalement et une partie 39b s'étendant hori- zontalement. La partie 39a s'étendant verticalement a une lar- geur légèrement supérieure à la longueur de la partie 44b s'étendant horizontalement de la patte afin de permettre à cette dernière de s'engager dans l'encoche simplement en exerçant une poussée sur l'élément de refroidissement 40 6. dans la direction verticale, qu'on fait suivre d'un dépla- cement horizontal vers la gauche afin de permettre à la par- tie 44b de s'engager dans la partie 39b comme illustrée en figure 6, ce qui permet d'établir un contact thermique entre l'élément conducteur 30 et l'élément de refroidissement 40. Avant de procéder à l'accouplement entre les deux éléments 30 et 40, on extrait légèrement la plaque coulissan- te 37 comme indiqué en figure 7 de façon que les éléments de contact thermique 36 ne soient pas alignés avec les ouvertu- res correspondantes 37a et soient maintenues en compression au-dessous de la plaque 37. La plaque 37 étant partiellement extraite, on réunit les deux éléments 30 et 40 de manière à i sérer les pattes 39 dans les parties s'étendant verticalement 39a des encoches, puis les déplace dans la direction horizon- tale l'une par rapport à l'autre, de manière à insérer les parties de patte 44b s'étendant horizontalement dans les parties 39b s'étendant horizontalement de l'encoche pour que l'élément conducteur 30 présente une surface plate. Par con- séquent, il n'y a pratiquement aucune résistance de frotte- ment pendant le mouvement de coulissement horizontal. Avec les pattes 44 pleinement engagées:: dans les encoches 44, on pousse l'élément coulissant 37 pour l'amener à sa position d'origine afin de permettre l'alignement des éléments de con- tact thermique 36 avec les ouvertures 37a en contact avec l'élément de refroidissement 40. Les éléments 36 exercent des forces élastiques dans la direction verticale. Cela établit un contact thermique entre les éléments 30 et 40, tout en comprimant les bords supérieurs des parties 44b des pattes contre les bords supérieurs des parties 39b des encoches afin d'établir un accouplement ferme entre les éléments 30 et 40, Par conséquent, on élimine l'opération de polissa- ge de la surface et le serrage par vis, de sorte que la pré- sente invention permet d'obtenir une structure au profil bas pour l'élément conducteur 30 et l'élément de 7. refroidissement 40,et donc d'augmenter l'efficacité de la conduction de la chaleur et de simplifier le processus de fabrication avec, comme conséquence, une réduction des coûts. La présente invention n'est pas limitée aux exem- ples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. 8. REVENDICATIONS 1 - Module de refroidissement par liquide pour composants dégageant de la chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend: - un substrat (20) sur lequel sont montés les compo sants dégageant de la chaleur (1); - un élément conducteur de la chaleur (30) fixé au substrat enfermant les composants dégageant de la chaleur, cet élément conducteur de la chaleur comportant une paire, sur chacun de ses côtés, de moyens d'accouplement (39) à mouvement double; - un élément de refroidissement par liquide (40) co portant une chambre (41) dans laquelle circule un liquide et une paire de moyens d'accouplement à mouvement double (44) pouvant s'engager respectivement dans le moyen d'accouplement à mouvement double de l'élément conducteur de la chaleur, lor que ce dernier élément et l'élément de refroidissement par liquide sont déplacés l'un vers l'autre dans une première di- rection, puis déplacés dans une seconde direction l'un par rapport à l'autre qui est perpendiculairement à la première direction; - un réseau d'éléments de contact élastiques, condu teurs de la chaleur (36) disposés entre l'élément conducteur de la chaleur et l'élément de refroidissement par liquide, et - une plaque (37) comportant des ouvertures, pouvan coulisser entre une première et une seconde positions et pré- sentant un réseau d'ouvertures (37a) qui correspondent aux éléments de contact afin de maintenir ces derniers en compres lorsque la plaque se trouve dans la première position et pers tre le déplacement du moyen d'accouplement de l'élément condu teur de la chaleur et de l'élément de refroidissement par liquide dans la seconde direction et autoriser les éléments de contact à s'étendre partiellement à travers les ouvertu- res correspondantes afin d'établir un contact thermique en- tre l'élément conducteur de la chaleur et l'élément d'accou- plement lorsque la plaque se trouve dans la seconde position. 9. 2 - Module de refroidissement par liquide selon la revendication 1, caractérisé en ce que les composants déga- geant de la chaleur sont des puces électroniques (1). 3 - Module de refroidissement par liquide selon la revendication 2, caractérisé en ce que les puces sont des puces à circuit à intégration à grande échelle. 4 - Module de refroidissement par liquide selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des éléments de contact élastiques (36) comporte un ressort à lame ayant une extrémité plate en contact avec l'élément conducteur de la chaleur ou l'élément de refroidissement par liquide et une extrémité incurvée en contact avec l'autre des élé- ments par l'intermédiaire de l'ouverture correspondante de la plaque à ouvertures (37). 5 - Module de refroidissement par liquide selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément conduc- teur de la chaleur ou l'élément de refroidissement par liquide comporte un évidement (33) dans lequel est disposé le réseau d'éléments de contact élastiques et la plaque à ouvertures peut coulisser sur les extrémités incurvées des éléments de contact. 6 - Module de refroidissement par liquide selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément conducteur de la chaleur (30) comprend une multitude d'éléments con- ducteurs de la chaleur (35) placés respectivement sur les composants dégageant de la chaleur, et un logement (31) en ma- tériau conducteur de la chaleur accouplé d'une manière étroi- te par liquide avec le substrat, le logement ayant une multi- tude d'évidements (32) enfermant respectivement les éléments conducteurs de la chaleur et les composants dégageant de la chaleur, chacun des évidements étant rempli d'un liquide conducteur de la chaleur de manière à fournir un trajet à conductibilité thermique élevé entre chacun des composants dégageant de la chaleur et le logement.