Brevet FR2597695A1 — publié le 19871023

BOITIER ASSURANT LA STABILISATION THERMIQUE DES EQUIPEMENTS TELS QUE DES COMPOSANTS ELECTRONIQUES QU'IL CONTIENT L'invention concerne un bottier pour des équipements tels que des composants électroniques comportant des sources de 5 chaleur réparties selon une cartographie donnée. Plus précisément, l'invention concerne un bottier réalisé pour l'essentiel en un matériau thermiquement isolant et comprenant des moyens de nature passive permettant de dissiper la chaleur dégagée par les équipements qu'il contient. Bien que l'invention soit particulièrement adaptée au cas d'un bottier contenant des composants ou des circuits électroniques de natures diverses, elle n'est pas limitée à cette application et couvre tous les cas o des équipements comportant des sources de chaleur sont logés dans un bottier. Les sources de chaleur peuvent être constituées aussi bien par les composants actifs tels que les transistors que par les composants passifs tels que les résistances. Actuellement, les équipements électroniques sont le plus souvent installés dans des bottiers métalliques. La nature 20 du métal constituant ces bottiers est généralement déterminée en fonction de l'application envisagée. Les métaux utilisés ont tous en commun une bonne capacité à conduire et à dissiper la chaleur dégagée à L'intérieur du bottier par les composants électroniques. En appliquant les composants les plus dissipatifs 25 de chaleur contre la paroi du bottier ou en interposant entre ces composants et la paroi du bottier une pièce assurant une bonne conductivité thermique, le transfert et la dissipation de la chaleur sont facilement assurés. Une illustration de cet état de la technique est donnée notamment par le brevet US 4 330 812. Lorsque la chaleur à dissiper est plus importante, des ailettes de refroidissement peuvent être prévues sur la face extérieure de la paroi du bottier, de façon à augmenter l'efficacité des phénomènes de convexion. La dissipation de chaleur ainsi obtenue est de nature 15 20 passive, car elle n'a recours à aucune source d'énergie annexe. Ces techniques de dissipation de chaleur de nature passive peuvent être complétées le cas échéant par des techniques de nature active lorsque les quantités de chaleur à dissiper dépassent les possibilités offertes par les matériaux utilisés. Parmi ces techniques actives, on citera la ventilation interne ou externe, l'adjonction de modules de Peltier, et l'utilisation de circuits de fluide à changement d'état. On notera dès à présent que l'invention ne concerne que les techniques de dissipation de chaleur de nature passive. On comprendra que ces techniques peuvent éventuellement être complétées par le recours à certaines techniques de nature active lorsque les quantités de chaleur à dissiper le justifient. Toutes les techniques de dissipation de chaleur de nature passive connues reposent comme on l'a vu sur l'utilisation d'un bottier réalisé pour l'essentiel en un matériau thermiquement conducteur. Cependant, certaines applications peuvent nécessiter d'avoir recours pour la réalisation des bottiers à des matériaux thermiquement isolants tels que des matériaux composites moulés. Parmi ces applications, on trouve tous les cas o un gain de masse est souhaitable, ce qui est notamment le cas pour les bottiers des composants électroniques utilisés dans les domaines aéronautique et spatial. L'utilisation de matériaux thermiquement isolants peut aussi être justifiée par leur moindre coOt, notamment dans le domaine de l'électronique grand public. Dans ces applications particulières, les techniques traditionnelles pour assurer la dissipation passive de la chaleur dégagée à l'intérieur des bottiers ne peuvent pas être utilisées. Il est donc nécessaire d'avoir recours à de nouvelles techniques de dissipation de la chaleur de nature passive, si l'on ne souhaite pas utiliser dans tous les cas aux techniques actives, qui sont par nature lourdes et onéreuses. L'invention a précisément pour objet un bottier réalisé pour l'essentiel en un matériau thermiquement isolant, ce bottier 30 35 étant équipé de moyens de dissipation de la chaleur de nature passive n'affectant pas de façon significative les caractéristiques justifiant L'utiLisation d'un matériau thermiquement isolant, telles que son faible poids et son moindre coût. A cet effet, il est proposé un bottier pour des équipements tels que des composants électroniques comportant des sources de chaleur réparties selon une cartographie donnée, ce bottier étant caractérisé en ce qu'iL comporte une structure 10 mécanique rigide en un matériau thermiquement isolant, cette structure portant des organes passifs de drainage de La chaleur réalisés en un matériau thermiquement conducteur, ces organes étant disposés de telle sorte que chaque source de chaleur est en contact avec l'un de ces organes. En choisissant et en dimensionnant Les organes de drainage de la chaleur selon la quantité de chaleur dégagée par chaque source et en répartissant judicieusement ces sources, on parvient ainsi à assurer la stabilisation thermique de ces sources, en dépit du caractère thermiquement isolant de la 20 structure. Selon un mode de réalisation préféré de L'invention, les organes de drainage de la chaleur comprennent au moins un implant monté sur la face interne de la structure mécanique rigide. De tels implants peuvent être utiLisés lorsque la source 25 de chaleur a une puissance thermique dissipée relativement faible, au maximum d'environ 5W, ce qui est le cas pour de nombreux composants électroniques usuels. Afin de faciliter la dissipation radiale de la chaleur, chaque implant comporte de préférence des branches orientées 30 radialement ou tangetiellement et régulièrement réparties par rapport à la zone de contact entre une source de chaleur et cet implant. Lorsque la chaleur dégagée par certaines des sources ne peut être dissipée en totalité par les implants, les organes de 35 drainage de la chaleur comprennent de préférence au moins un insert traversant la structure mécanique rigide et portant un radiateur à l'extérieur de ceLLe-ci. Dans ce cas, chaque radiateur comporte de préférence des ailettes orientées perpendiculairement à la structure mécanique rigide et régulièrement réparties autour de L'insert. Dans un mode de réalisation particulièrement intéressant de l'invention, La structure mécanique rigide est revêtue au moins sur sa face interne d'un film en un matériau thermiquement conducteur. Les inserts et/ou les implants étant en contact avec ce film, celui-ci facilite la dissipation de la -1 chaleur. De préférence, ce film est réalisé en nickel, en 'aLuminium, en béryllium, en cuivre ou en argent. Il est à noter que ces matériaux également bon conducteurs de L'électricité, donnent également à ce film Les caractéristiques d'une cage de Faraday protégeant les composants électroniques contenus dans Le bottier contre les ondes électromagnétiques autres que les rayons X, Lorsque Le bottier contient de teLs composants. Comme l'illustre la demande de brevet français 20 nO8605442 déposée le 16 avriL 1986, par l'Aérospatiale (Société NationaLe Industrielle), sous le titre "Bottier de protection de circuits électroniques, durci vis-à-vis des rayons X", la structure mécanique du bottier peut tre revêtue extérieurement d'un matériau de protection contre les rayons X. L'amélioration de la dissipation de chaleur par un film de béryllium recouvrant la face externe de ce matériau permet alors d'éviter l'émission d'électrons par les parois du bottier lors d'une irradiation de celui-ci par des rayons X. On décrira maintenant, à titre d'exemples non 30 limitatifs différents modes de réalisation de l'invention en se référant aux dessins annexés dans lesquels: - la figure I est une vue en coupe transversale schématique représentant un bottier réalisé selon un premier mode de réaLisation de l'invention; - les figures 2a, 2b et 2b' sont respectivement une vue , de côté et deux vues de face représentant à plus grande écheLLe deux variantes de réalisation d'un implant monté sur La face intérieure du bottier pour assurer conformément à L'invention La dissipation de la chaleur dégagée par un composant considéré 5 comme quasi ponctuel présentant un contact réparti avec cet implant; - les figures 3a et 3b sont des vues comparables aux figures 2a et 2b représentant un implant assurant L'évacuation de la chaleur dissipée par un composant en contact quasi Linéaire 10 avec cet implant; - Les figures 4a et 4b sont des vues de côté et de face représentant à plus grande échelle un insert et son radiateur associé assurant conformément à L'invention la dissipation de La chaLeur dégagée par un composant dissipant une quantité de 15 chaLeur telle qu'un implant ne permettrait pas de l'évacuer en totalité; et - la figure 5 est une vue comparable à la figure 1 iLLustrant un deuxième mode de réalisation de l'invention. La figure 1 représente de façon très schématique un 20 bottier conforme à l'invention. Ce bottier est désigné de façon générale par la référence 10. IL se compose dans Le mode de réalisation représenté d'une embase 12 sur laquelle est fixé un capot 16, par tout moyen approprié tel que des vis (traits mixtes 14 sur la figure 1). Conformément à l'invention, ce bottier 10 contient des équipements comportant des sources de chaleur réparties seLon une cartographie donnée à L'intérieur du volume clos délimité par Le bottier. Ces équipements peuvent notamment être des composants électroniques actifs ou passifs tels que les composants 18a et 30 18b sur la figure 1. Ces composants sont connectés électriquement à des composants extérieurs au bottier par des conducteurs électriques tels que les conducteurs 20a et 20b sur la figure 1, ces conducteurs traversant par exemple l'embase 12. Dans l'exemple de réaLisation représenté sur La figure 35 1, les composants électroniques tels que 18a et 18b sont 15 25 35 maintenus en contact avec des éléments 24, 26 de dissipation thermique, fixes sur la face interne ou dans La structure rigide 22 constituant te capot 16, par tout moyen approprié. De manière généraLe, lesdits composants 18a, 18b sont solidaires d'un circuit imprimé 19 Lui-méme fixé au bottier par un dispositif approprié et non représenté. Selon une caractéristique essentieLle de l'invention, la structure rigide 22, qui assure la protection mécanique des composants électroniques tels que 18a et 18b, est réalisée en un matériau thermiquement isolant. Cette structure 22 peut notamment être obtenue par moulage à partir d'une matière plastique thermodurcissable teLle que La bakélite, les résines polyimides ou les silicones, éventuellement renforcée par des fibres organiques. A titre d'exempLe nullement limitatif, on peut utiliser pour fabriquer la structure rigide 22 une résine polyimide renforcée par des fibres de verre orientées de manière aléatoire, commercialisée sous la désignation KINEL 5504 par la Société... Parmi les composants contenus dans le bottier 10, seuls certains d'entre eux constituent des sources de chaleur. De plus, ces composants qui constituent des sources de chaleur peuvent eux-mêmes être classés en deux catégories, selon que la puissance thermique produite par chaque source est inférieure ou supérieure à la puissance thermique maximum dissipable par le capot 16, pour une surface donnée de celui-ci associée à cette source. De façon plus précise, après avoir déterminé expérimentalement les paramètres d'échange thermique (coefficient de convection c(et émissivité t) du ou des matériaux constituant le capot 16, on calcule la puissance thermique dissipable par ce matériau selon une direction perpendiculaire à la surface du capot, puis on détermine pour chaque type de source de chaleur la loi d'évolution de cette puissance thermique dissipable avec la surface du capot associée à cette source. La forme de cette surface est déterminée par le type de source de chaleur. Ainsi, pour une source quasi ponctuelle, c'est-à-dire dont La surface de contact avec le capot est de petite dimension dans toutes Les directions, on associe à la source une surface de forme carrée. Pour une source quasi linéaire, cette surface présente une forme rectangulaire allongée. La puissance thermique maximum dissipable est déterminée à partir de cette loi d'évolution, pour chaque source de chaleur, en affectant à cette dernière une surface maximum déterminée en tenant compte des sources de chaleur voisines et en 10 fonction de l'échauffement autorisé. Ainsi, on peut associer à une source de chaleur isolée une surface pLus grande autorisant une puissance thermique maximum dissipable plus importante que dans le cas de sources rapprochées. Avantageusement, la répartition des sources dans le bottier est faite en tenant compte de cette 15 observation. On parvient ainsi à assurer la dissipation par te matériau constituant le capot 16 de la puissance thermique produite par certaines des sources de chaleur logées dans le bo tier. Cependant, pour une partie de ces sources, la dissipation est généralement insuffisante et il est alors nécessaire d'équiper le boîtier 10 d'accessoires ou organes annexes permettant de dissiper de façon passive la chaleur dégagée à l'intérieur du bottier par ces sources. Selon la quantité de chaleur produite par chacune des sources, ces accessoires sont constitués, pour chaque source, soit par un implant appliqué ou moulé sur la surface intérieure de la structure rigide 22, soit par un insert traversant cette structure et auquel est associé un radiateur extérieur. Dans tous 30 les cas, ces différents accessoires sont réalisés en un matériau thermiquement conducteur tel qu'un métaL. A titre d'exemple, les implants et les radiateurs peuvent être réalisés en alliages d'aluminium, par exemple de types AU2GN et AU4G1, respectivement, les inserts étant réalisés en cuivre. Sur la figure 1, le composant 18a constitue une source de chaleur d'intensité relativement faible, bien que nécessitant l'adjonction sur le boîtier d'un accessoire de dissipation de chaleur. La chaleur dégagée par ce composant est donc dissipée en le plaçant en contact avec un implant métallique Z4 porté par La surface intérieure du capot 16. Le composant 18b constitue une source de chaleur d'intensité plus élevée. L'évacuation de cette chaleur est donc assurée en plaçant ce composant en contact avec un insert métallique 26 traversant la paroi du capot 16 et auquel est 10 associé à l'extérieur de ce dernier un radiateur 28. Les figures 2a, 2b et 2b' représentent un exemple de réalisation d'un implant 24 conforme à t'invention, dans le cas o la source de chaleur que constitue le composant 18a est quasi ponctuelle. La surface ou zone de contact entre le composant 18a 15 et l'implant 24 est donc relativement Limitée dans toutes les directions et, par exemple, circulaire sur La figure 2b. La zone de contact ainsi définie entre le composant 18a et l'implant 24 constitue le centre de ce dernier. Afin de drainer la chaleur dégagée par le composant radialement (figure 2b) ou 20 tangentiellement (figure 2b') vers l'extérieur, l'implant 24 comporte de plus des branches 24a orientées radiaLement par rapport à cette zone de contact centrale, et régulièrement réparties autour de cette zone. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2b, ces branches sont au nombre de six 25 de sorte que l'implant 24 présente la forme d'une étoile à six branches. Le nombre des branches de l'implant peut toutefois *tre différent de six, et par exemple réduit à quatre si la chaleur dégagée par le composant est plus faible. La configuration des implants est déterminée dans chaque cas particulier, selon 30 l'importance accordée aux facteurs encombrement (surface) et poids (masse), compte tenu de la puissance thermique à évacuer. Les figures 3a et 3b représentent un exempte de réalisation d'un implant 24' servant à évacuer la chaleur dégagée par un composant tel qu'une carte 18'a, portant des circuits 35 électroniques, ce composant étant quasi linéaire. Le contact entre le composant 18'a et L'implant 24' s'effectue donc selon une surface rectangulaire de grande Longueur et relativement étroite. Dans ce cas, l'implant 24' comprend une partie centrale 5 rectangulaire entourant la zone de contact entre la carte 18'a et L'implant. L'implant 24' comprend de plus, de part et d'autre de sa partie centrale, des branches 24'a orientées perpendiculairement à cette partie centrale et régulièrement espacées. Ces branches assurent ici encore Le drainage de La chaleur vers l'extérieur et assurent par conséquent la stabilisation thermique de la carte 18'a, dans la mesure o La configuration de cet impLant (forme, masse, surface,...) est adaptée à la puissance dissipée par cette carte. Bien entendu, d'autres formes d'implants peuvent être utilisés, notamment dans Le cas o La source n'est ni quasi ponctuelle, ni quasi linéaire. A titre d'exemple, dans le cas d'une charge quasi ponctuelle dissipant une puissance thermique de 2,4W, on pourra 20 utiliser un implant en forme de croix, chaque branche ayant une logngueur de 30m et une largeur de 10mm, la masse de l'impLant étant de 0,7g. Dans le cas d'une charge quasi ponctuelle dissipant une charge de 4W, on utilisera par exemple un impLant à 6 branches, Les dimensions de chaque paire de branches opposées 25 étant de 60mmx10mm, et La masse de l'impLant étant de 2,2g. Cette solution est bien adaptée pour des sources dont la puissance thermique est inférieure à 5W. La fixation des implants 24, 24' sur La surface intérieure du capot du bottier peut être faite par tout moyen 30 approprié. Dans le cas de l'implant 24 sur La figure 2a, celui-ci est -représenté comme étant collé sur cette face intérieure. Au contraire, sur La figure 3a, on a représenté l'implant 24' comme étant inséré en partie dans la structure du bottier Lors du moulage de cette dernière. Par ailleurs, les implants 24 et 24' peuvent 15 20 25 30 35 avantageusement Itre utilisés pour supporter des composants 18a et 18'a. A cet effet, ces composants sont emboîtés dans lesdits implants (figures 3a et 3b). Sur Les figures 4a et 4b, on a représenté à plus grande échelle un exemple de réalisation d'un insert 26 et de son radiateur associé 28. L'insert 26 est constitué par un bloc métaliique, par exemple de cuivre, de forme cylindrique dans te cas d'une source de chaleur de type quasi ponctuel. Ce bloc traverse de part en part la paroi du bottier 16 et est en contact étroit avec le composant 18b à refroidir. Sur ce bloc métallique peut Itre fixé à L'extérieur du bottier Le radiateur 28, par tout moyen approprié tel qu'une vis 30. La fixation du radiateur sur l'insert est conçue de façon à assurer une bonne conductivité thermique au niveau du contact. Le radiateur 28 comprend une semelle 28a, par exempLe en forme d'étoile à six branches, plaquée sur L'insert 26 et sur la surface extérieure du bottier par la vis 30. Cette semelle 28a porte sur chacune de ses branches une ailette 28b en forme de secteur circuLaire, faisant saillie perpendiculairement à ta face extérieure du bottier. Les branches de ta semelle 28a ainsi que les ailettes 28b sont réguLièrement réparties autour de L'axe de l'insert 26. Bien entendu, les dimensions du bloc métattllique constituant l'insert 26, de mime que les dimensions de la semettlle et des ailettes constituant le radiateur 28 sont déterminées en fonction de la puissance thermique à dissiper. A titre d'exemple, la masse de L'insert de cuivre peut Itre d'environ 3,9g, pour un rayon de 6m et la masse du radiateur de 8,2g, chaque paire de branches de la semettlle 28a ayant pour dimensions 60mmx10mm et te rayon de chaque aiLette 28b étant de 25m. Une puissance de 10 à 12W peut être dissipée par un tel ensemble, en fonction du A T accepté. A titre d'exemple, un AT de 600C amène 7W de dissipation. Bien entendu, la répartition cartographique des sources de chaleur à l'intérieur du bottier est déterminée par avance afin que la distance entre ces sources soit d'autant plus importante que la puissance thermique qu'elles dissipent est élevée. La figure 5 illustre schématiquement un autre mode de 5 réalisation de l'invention selon lequel le capot 16 n'est pLus seulement constitué par une structure mécanique rigide 22, mais comprend aussi une couche externe 36 servant à assurer une protection des composants logés dans le boTtier 10 contre Les rayons X. Cette couche de protection 36 ne fait pas L'objet de la présente invention. Pour plus de détail concernant sa constitution et sa réalisation, on se référera à la demande de brevet nO8605442 déposée le 16 avril 1986 par L'Aérospatiale (S.N.I.). Lorsqu'une telle protection contre Les rayons X doit être assurée, La continuité de la protection doit- être obtenue mème au niveau des inserts 26. Afin de garantir l'opacité du bottier aux rayons X, les inserts 26 peuvent être réalisés en argent, ce métal assurant une 20 attenuation satisfaisante pour une épaisseur de boYtier, qui peut être par exemple de 1,73mm, pour un Large éventail d'applications. L'opacité peut aussi être obtenue quel que soit le métal constituant l'insert 26 (cuivre, molybdène, étain, argent, 25 etc...), en garantissant l'épaisseur filtrante nécessaire quelle que soit la trajectoire des photons. Comme L'illustre la figure 5, on augmente à cet effet le diamètre de l'insert 26 en- dessous de la couche protectrice 36, c'est-à-dire au niveau de la traversée de la structure 22. La figure 5 montre également qu'il est encore possible d'améliorer la stabilisation thermique des sources de chaleur logées dans le boÂtier en revêtant au moins en partie la surface intérieure de la structure 22 d'une couche 38 en un matériau thermiquement conducteur tel qu'un métal. Les implants 24 ainsi 35 que les inserts 26 étant au contact de cette couche 38, on comprend que La dissipation thermique est améliorée. Dans le cas o le bottier 10 comprend de nombreux inserts 26, une couche en un matériau thermiquement conducteur peut aussi être prévue sur la surface extérieure du bottier, 5. c'est-à-dire à l'extérieur de la couche 36 sur la figure 5. L'épaisseur de cette couche 38 peut être par exemple d'environ 0,1u. Pour réaliser la ou Les couches 38, on utilisera de préférence un métal tel que le nickel, L'aluminium, le bérylttium, 10o le cuivre ou l'argent. IL est à noter que cette couche 38 constitue en outre une cage de Faraday qui permet, en plus de sa fonction de dissipation thermique, d'assurer La protection des circuits contenus à l'intérieur du boÂtier contre les ondes 15 électromagnétiques autres que les rayons X. En outre, lorsqu'une couche telle que la couche 38 est placée à l'extérieur du revêtement 36 et lorsqu'elle est réaLisée en bérylltium, elle permet, lors d'une irradiation du bottier par les rayons X, d'éviter l'émission d'électrons par le matériau 20 constituant le revêtement 36 de protection contre les rayons X. Bien entendu, L'invention n'est pas Limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits à titre d'exemple mais en couvre toutes les variantes. En particulier, on a déjà observé que les sources de 25 chaleur placées à l'intérieur du bottier seton l'invention peuvent être de tous types et ne sont pas limitées à des composants électroniques. Par ailleurs, il est clair que L'invention est indépendante de la forme donnée au bottier, cette forme étant 30 essentiellement déterminée en fonction des composants qu'elle contient. En outre, selon l'importance des sources de chaLeur contenues dans le bottier, celui-ci peut ne comprendre qu'un ou des implants tels que les impLants 24 et 24', qu'un ou des 35 ensembles inserts/radiateurs, qu'un ou des inserts seuls, que La couche conductrice ou toute combinaison de ces moyens. Enfin, une couche en matériau conducteur telle que la couche 38 peut être utitisée quettlle que soit la structure présentée par ailleurs par le bottier. Une ou deux couches telles 5 que la couche 38 peuvent notamment être utilisées dans un bottier tel que celui qui a été décrit en se référant à La figure 1. 15 20 25 30 REVENDICATIONS 1. Bottier pour des équipements tets que des composants électroniques comportant des sources de chateur (18a, 18b) réparties seton une cartographie donnée, ce bottier étant caractérisé en ce qu'it comporte une structure mécanique rigide (22) en un matériau thermiquement isolant, cette structure portant des organes passifs de drainage de la chaleur (24, 24', 26, 28) réatisés en un matériau thermiquement conducteur, ces organes étant disposés de tetle sorte que chaque source de chateur est en contact avec L'un de ces organes. 2. Bottier seton La revendication 1, caractérisé en ce que Les organes de drainage de La chateur comprennent au moins un implant (24, 24') monté sur La face interne de la structure mécanique rigide (22). 3. Bottier seton La revendication 2, caractérisé en ce que chaque implant (24, 24') comporte des branches (24a, 24'a) orientées radiatement ou tangentiettement et régulièrement réparties par rapport à une zone de contact entre une source de chateur (18a, 18'a) et cet implant. 4. Bottier selon L'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que Les organes de drainage de la chateur comprennent au moins un insert (26) traversant La structure mécanique rigide (22) et portant un radiateur (28) à l'extérieur de cette-ci. 5. Bottier seton La revendication 4, caractérisé en ce que chaque radiateur (28) comporte des ailettes (28a) orientées perpendiculairement à La structure mécanique rigide (22) et régulièrement réparties autour de l'insert (26). 6. Bottier seton t'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la structure mécanique rigide (22) est revêtue au moins sur sa face interne d'un film (38) en un matériau thermiquement conducteur. 7. Bottier selon La revendication 6, caractérisé en ce que le film (38) est réalisé en un matériau choisi dans le groupe comprenant te nickel, l'aluminium, te béryltLium, le cuivre et L'argent.