Brevet FR2641663A1 — publié le 19900713

BOITIER POUR COMPOSANTS HYBRIDES La présente invention concerne un bottier pour composants hybrides et notamment pour des composants électroniques dissipant de l'énergie lors de leur fonctionnement. L'invention s'applique plus particulièrement à un bottier destiné à recevoir un laser émetteur associé notamment à une diode de régulation et à un refroidisseur à effet Pelletier, qui a pour objet d'absorber la chaleur du laser lors de son fonctionnement. Il est alors nécessaire d'évacuer en permanence cette chaleur hors du bottier afin de ne pas endommager le laser par des chocs thermiques. D'autre part, des contraintes imposées par les utilisateurs quant à l'herméticité des bottiers et à leur résistance mécanique sont difficiles à concilier avec une bonne dissipation thermique, dans la mesure ou l'herméticité nécessite l'utilisation de matériaux ayant un faible coefficient de dilatation qui présentent en pratique de faibles coefficients de transferts thermiques. Les bottiers actuels pour ce type de composants sont constitués d'une enceinte en un matériau ayant un faible coefficient de dilatation, tel qu'un alliage de fer/nickel/cobalt connu sous la dénomination commerciale Kovar (marque déposée) qui assure la fonction d'étanchéité. La dissipation de la chaleur s'effectue par l'intermédiaire d'une première plaque de cuivre accolée, d'une part au refroidisseur Pelletier, et d'autre part à une des parois de l'enceinte, une seconde plaque de cuivre, reliée au dissipateur extérieur, ou radiateur, étant accolée au bottier à l'extérieur de celui-ci et en regard de la première plaque de cuivre. L'échange thermique s'effectue donc par l'intermédiaire d'une paroi de l'enceinte en Kovar (marque déposée), et comme cet alliage présente un pouvoir d'extraction d'énergie très inférieur à celui du cuivre, ceci nuit à la dissipation d'énergie, même si l'on réduit l'épaisseur de la paroi située entre les deux plaques de cuivre. Une deuxième solution consiste à remplacer le fond du bottier en Kovar (marque déposée) par une plaque de cuivre. Mais si cette solution apporte une amélioration des échanges thermiques, elle nuit considérablement à l'étanchéité du bottier par les liaisons Kovar/cuivre sur tout son pourtour inférieur, le cuivre ayant un coefficient de dilatation approximativement deux fois plus important que le Kovar (marque déposée). Enfin on peut également intégrer le laser dans un second bottier hermétique, interne à un premier bottier en Kovar/cuivre non étanche, et qui extrait l'énergie. Mais cette solution accroît sensiblement l'encombrement du dispositif obtenu, ce qui n'est pas souhaitable compte tenu de l'objectif permanent de miniaturisation des appareils électroniques. Les problèmes de dissipations thermiques sont de plus en plus importants avec l'accroissement de la puissance des lasers utilisés qui ne cesse d'augmenter. De plus l'intensification de l'emploi de lasers dans les appareils optoélectroniques utilisés pour des applications longues durées comme par exemple des applications spatiales rend impossible de négliger l'étanchéité du boîtier pour résoudre le problème thermique au détriment de l'étanchéité du bottier. L'invention vise à la conception d'un bottier pour composants hybrides, notamment destiné à recevoir un laser émetteur, qui permette une bonne évacuation de l'énergie dissipée sous forme de chaleur par le composant, tout en préservant une étanchéité parfaite au bottier, sans en accroître l'encombrement. Selon sa caractéristique principale, l'invention concerne un bottier pour composants hybrides, notamment pour composants dissipant de l'énergie sous forme de chaleur, comportant une enceinte de réception dudit composant en un matériau présentant un faible coefficient de dilation et un ensemble dissipateur, caractérisé en ce que ledit ensemble traverse une ouverture ménagée à travers une première paroi plane de ladite enceinte et en ce qu'il est assemblé par brasure sur au moins une face externe de ladite paroi. Ledit ensemble est avantageusement brasé sur ladite face externe sur une largeur au moins double de l'épaisseur de ladite paroi sur au moins trois côtés de ladite ouverture, ladite ouverture s'étendant de préférence jusqu'à un bord de ladite paroi. Selon les contraintes d'encombrement et/ou l'implantation des composants dans le bottier, ledit ensemble est avantageusement brasé sur au moins une face interne d'une seconde paroi plane de ladite enceinte, ou est brasé sur au moins une face interne de ladite première paroi. Selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, ladite seconde paroi est constituée par un fond du boîtier, ladite première paroi étant une paroi latérale du bottier. L'ensemble dissipateur comporte avantageusement un premier dissipateur en un matériau présentant un coefficient de transfert thermique élevé placé à l'intérieur de l'enceinte sur le fond, et un second dissipateur en un matériau présentant un coefficient de transfert thermique élevé, plaqué à l'extérieur de l'enceinte, contre ladite face externe de la paroi présentant une ouverture, en masquant cette dernière, ledit premier dissipateur présentant une partie verticale propre à s'engager dans ladite ouverture, de manière à réaliser l'étanchéité entre l'intérieur et l'extérieur de l'enceinte, et ledit second dissipateur comportant de préférence des moyens de fixation destinés à lier le bottier à un support, un radiateur ou à une carte de composants électroniques. Grâce à l'invention, il est possible de ne pas nuire sensiblement à l'étanchéité du bottier bien que l'on ménage une ouverture dans celui-ci, afin de réaliser un pont calorifique direct entre des éléments présentant un coefficient de transfert thermique élevé tel que le cuivre. La position de cette ouverture sur une paroi de l'enceinte et le fait qu'il subsiste autour de l'ouverture une surface d'appui importante, permet d'obturer l'ouverture au moyen d'un ensemble dissipateur constitué avantageusement d'un premier dissipateur intérieur à l'enceinte et d'un second dissipateur extérieur à cette dernière, le second dissipateur prenant appui sur la paroi latérale. Les surfaces de contacts entre les dissipateurs et l'enceinte s'avèrent suffisantes pour permettre l'obtention d'une bonne étanchéité, même si, a priori, les deux matériaux utilisés de par leurs propriétés ne semblent pas s'y prêter. Selon d'autres caractéristiques particulièrement avantageuses du bottier selon l'invention - le premier dissipateur a la forme d'une cornière dont la partie verticale présente la même forme et sensiblement la même taille que ladite ouverture, de préférence rectangulaire - une préforme de brasure est intercalée entre ledit second dissipateur et ladite face externe, ladite préforme étant dimmensionnée de manière à assurer, sur au moins trois côtés de l'ouverture, une brasure sur une largeur au moins double de l'épaisseur de ladite paroi présentant l'ouverture. L'adaptation des différents constituants du bottier pour réaliser une sorte d'embottement permet, tout en augmentant la capacité d'échanges thermiques, de conserver une bonne herméticité, notamment par l'importance des surfaces de brasure, sans nuire pour autant à l'encom- brement du bottier. Selon une variante de réalisation, le cadre supérieur de l'enceinte, constitué par les bords supérieurs des parois latérales, présente un débord extérieur à l'enceinte le long de la paroi de l'enceinte présentant ladite ouverture, et le fond présente un débord par rapport à la paroi de l'enceinte présentant l'ouverture, lesdits débords du cadre et du fond par rapport à ladite paroi présentant l'ouverture sont de taille identique et s'étendent tout le long de ladite paroi, permettant ainsi d'accroître l'étanchéité, les tranches du second dissipateur étant éventuellement brasées sur les rebords. Dans la pratique le bottier comporte en général un couvercle en un matériau présentant un faible coefficient de dilatation, propre à être fixé par soudure sur ledit cadre supérieur. L'enceinte et le couvercle sont en alliage de fer, nickel, cobalt avec éventuellement une faible proportion de manganèse, l'enceinte étant de préférence monobloc ; le premier et second dissipateur sont en cuivre. L'assemblage des constituants du bottier comporte avantageusement les étapes successives suivantes - percement d'une ouverture dans une paroi latérale de l'enceinte débouchant dans le cadre inférieur - mise en place du fond et fixation de celui-ci par brasure sur le cadre inférieur de l'enceinte - mise en place du premier dissipateur dont la partie verticale s'engage dans l'ouverture, sa surface extérieure s'alignant avec la surface extérieure de ladite paroi latérale - mise en place de la préforme, la surface intérieure de ladite préforme s'alignant avec ladite paroi présentant l'ouverture - mise en place du second dissipateur contre la surface extérieure de ladite préforme - brasage de l'ensemble - > r fusion de ladite préforme - mise en place du refroidisseur à effet Pelletier sur le premier dissipateur - implantation de composants dans le bottier - mise en place du couvercle et fixation de celuici par soudure sur le cadre supérieur. On décrira maintenant plus en détail une forme de réalisation particulière de l'invention qui en fera mieux comprendre les caractéristiques essentielles et les avantages, étant entendu toutefois que cette forme de réalisation est choisie à titre d'exemple et qu'elle n'est nullement limitative. Sa description est illustrée par les dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente en vue éclatée un bottier pour composants hybrides selon l'invention - la figure 2 représente en élévation une coupe longitudinale partielle, du bottier représenté à la figure 1, une fois assemblé. - la figure 3 représente en vue éclatée un bottier pour composants hybrides selon une variante de l'invention - la figure 4 représente en élévation, une coupe longitudinale partielle du bottier représenté à la figure 3, une fois assemblé. Le bottier représenté aux figures 1 et 2 comporte une enceinte parallèlépipédique 1 constituée de parois latérales définissant un cadre inférieur 2 ainsi qu'un cadre supérieur 3 et d'un fond Il assemblé par brasure sur le cadre inférieur 2. Le matériau utilisé pour l'enceinte 1 et le fond 4 est un matériau présentant un faible coefficient de dilatation. Il s'agit de préférence d'un alliage de fer/nickel/cobalt, tel que le KOVAR (marque déposée). Le KOVAR est un alliage à base de fer comportant 29 % de nickel et 17 S de cobalt. Une de ses particularités essentielles est qu'il se soude au verre, ce qui, dans le cas de bottiers pour composants hybrides, permet de ne pas nuire à l'étanchéité du bottier par le passage des connecteurs dans la mesure où ceux-ci sont entourés d'une perle de verre scellée à un orifice ménagé dans l'enceinte. L'enceinte 1 présente sur une de ses parois latérales 5, une ouverture 6 s'étendant jusqu'au bord inférieur de la paroi et débouchant donc dans le cadre intérieur 2. Cette ouverture 6 est destinée à permettre un pont calorifique que l'on décrira par la suite. Un premier dissipateur thermique 9, réalisé en un matériau présentant un coefficient de transfert thermique élevé, tel que le cuivre, est posé sur le fond 4 à l'intérieur de l'enceinte 1. Ce dissipateur 9 présente approximativement une forme de cornière constituée d'une partie horizontale 10 et d'une partie verticale 11, la partie verticale 11 étant destinée à s'engager dans l'ouverture 6 en obturant cette dernière. Lorsque le dissipateur 9 est en position, une face de sa partie verticale 11, opposée à la partie horizontale 10, est alignée avec la face externe de la paroi latérale 5 afin de ne présenter aucun débord par rapport à celle-ci, tel que représenté à la figure 2. Une préforme de brasure 12 en un matériau ayant un point de fusion situé entre 200 et 800 OC, de taille sensiblement identique à celle de la paroi latérale 5, est plaquée contre la face externe de celle-ci, à l'extérieur de l'enceinte, masquant ainsi l'ouverture 6 et la partie 11 de la cornière 9. Un second dissipateur 13, de préférence en cuivre, vient recouvrir la préforme 12, en prenant également appui sur la face externe de la paroi 5. Ce dissipateur 13 sert également de moyen de maintien du bottier en étant fixé sur une carte électronique ou sur un radiateur, lui-même fixé à la carte électronique. Le premier et le second dissipateur constituent un ensemble dissipateur ayant pour rôle d'extraire du bottier l'énergie dissipée sous forme de chaleur par des composants hybrides. Selon une variante de réalisation représentée aux figures 3 et 4 en désignant les différents éléments du bottier par les mêmes références que celles des figures 1 et 2, le cadre supérieur 3 et le fond 4 de l'enceinte 1, font chacun apparaitre en saillie par rapport à la paroi latérale 5, un débord 7, respectivement 8, s'étendant sur toute la largeur de la paroi 5 et sensiblement de même taille. Le second dissipateur 13 se trouve dans ce cas inséré entre les débords respectifs 7 et 8 du cadre supérieur 3 et du fond 4. L'épaisseur du second dissipateur 13 peut être sensiblement identique à la taille des débords 7 et 8 de manière à ce que le second dissipateur ne se trouve pas en saillie par rapport aux débords tel que représenté à la figure 4.Elle peut également être supérieure ou inférieure à la taille des débords, ces derniers se trouvant alors en retrait ou en saillie par rapport au second dissipateur. Les composants hybrides nécessitant une extraction d'énergie sous forme de chaleur, sont placés dans le bottier sur la partie horizontale 10 du dissipateur 9 qui est brasée sur la face interne du fond 4. Selon une forme de réalisation particulière, il s'agit d'un refroidisseur à effet Pelletier 14 ayant pour objet d'extraire la chaleur d'un laser qui est ensuite acheminée par les différents éléments en cuivre brasés (dissipateur 9 et dissipateur 13) vers l'extérieur du bottier. La taille du bottier dépend bien évidemment du nombre et de la taille des composants hybrides qu'il doit contenir, et la position de l'ouverture 6 et donc du dissipateur 9 est fonction de l'implantation des composants à l'intérieur du bottier, l'ouverture 6 pouvant notamment être ménagée dans l'enceinte 1, sur n'importe quelles parois de cette dernière (paroi latérale ou fond). Le dissipateur 9 peut être mis en place en engageant la partie horizontale 10 du dissipateur 9 par l'ouverture 6 de la paroi latérale 5. Dans la variante représentée aux figures 3 et 4, les débords constitués par le cadre supérieur 3 et le fond 4 sont ménagés par rapport à la face correspondante. Selon une forme de réalisation particulière, l'assemblage du bottier selon l'invention s'effectue de la manière suivante - la portion de l'enceinte, constituée des parois latérales, est réalisée d'une seule pièce et l'ouverture 6 est ménagée dans la face latérale 5 - le fond 4 est ensuite brasé sur le cadre inférieur 2 à une température comprise entre 300 et 1250 OC et par exemple à une température de 1100 OC ; - le dissipateur 9 est ensuite mis en place, sa partie verticale 11 s'engageant dans l'ouverture 6 et la préforme 12 est placée à la fois sur la face du premier dissipateur 9 avec laquelle il est en contact et sur la paroi latérale 5 - le dissipateur 13 est ensuite placé sur la face libre de la préforme 12, l'ensemble étant brasé à une température comprise entre 200 et 800 OC. Le bottier est ainsi prêt à recevoir les composants hybrides et notamment le refroidisseur à effet Pelletier 14. Celui-ci est fixé sur la partie horizontale du dissipateur 9, et les composants sont fixés au fond du bottier. La fixation des composants et du refroidisseur 14 s'effectue également par brasure, en général à une température d'environ 200 à 250 OC. Les températures mises en oeuvre pour les brasures lors de l'assemblage des différents constituants du bottier sont choisies supérieures à la température nécessaire pour braser les composants hybrides lors de leur mise en place, ceci pour une raison évidente qui est de ne pas endommager, par conduction thermique, l'état des soudures réalisées antérieurement à la mise en place des composants hybrides. Une fois l'ensemble des composants mis en place, le boitier est fermé par un couvercle 15 en KOVAR qui est soudé sur le cadre supérieur 3, la température lors de cette opération de soudure pouvant éventuellement être supérieure à la température à laquelle ont été réalisées les brasures des composants hybrides, dans la mesure où il s'agit d'une surchauffe locale et que le KOVAR présente un faible coefficient de transfert thermique, ce qui réduit le risque d'endommager les brasures antérieures. Le boitier ainsi réalisé répond aux exigences d'herméticité et de résistance mécanique tout en assurant une bonne évacuation de l'énergie dissipée sous forme de chaleur par les composants hybrides et en nécessitant la mise en oeuvre de pièces en cuivre de moindre encombrement par rapport aux dispositifs antérieurs dans la mesure où celles-ci sont en contact direct les unes avec les autres. Le second dissipateur 13 ayant une grande surface de contact avec le KOVAR, la brasure de celui-ci sur la face externe de la paroi latérale 5 suffit à assurer une bonne herméticité malgré la présence de l'ouverture dans la paroi 5. Dans la réalisation pratique, des connecteurs traversant l'enceinte en KOVAR 1, et éventuellement le fond 4, sont mis en place avant l'assemblage des éléments de dissipation thermique, ces connecteurs étant isolés électriquement de l'enceinte au moyen de perles de verre introduites dans les orifices de l'enceinte nécessaires au passage des conducteurs. Naturellement, l'invention n'est en rien limitée par les particularités qui ont été spécifiées dans ce qui précède ou par les détails du mode de réalisation particulier choisi pour illustrer l'invention. Toutes sortes de variantes peuvent être apportées à la réalisation particulière qui a été décrite à titre d'exemple et à ses éléments constitutifs sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Cette dernière englobe ainsi tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons. REVENDICATIONS 1. Bottier pour composants hybrides, notamment pour composants dissipant de l'énergie sous forme de chaleur comportant une enceinte (1) de réception dudit composant en un matériau présentant un faible coefficient de dilation et un ensemble dissipateur, caractérisé en ce que ledit ensemble traverse une ouverture (6) ménagée à travers une première paroi plane. (5) de ladite enceinte (1) et en ce qu'il est assemblé par brasure sur au moins une face externe de ladite paroi (5). 2. Bottier selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit ensemble est brasé sur ladite face externe sur une largeur au moins double de l'épaisseur de ladite paroi (5) sur au moins trois côtés de ladite ouverture (6), ladite ouverture s'étendant de préférence jusqu'à un bord de ladite paroi. 3. Bottier selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit ensemble est brasé sur au moins ùne face interne d'une seconde paroi plane de ladite enceinte. 4. Bottier selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit ensemble est brasé sur au moins une face interne de ladite première paroi. 5. Bottier selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite seconde paroi est constituée par un fond du bottier, ladite première paroi étant une paroi latérale du bottier. 6. Bottier selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit ensemble dissipateur comporte un premier dissipateur (9) en un matériau présentant un coefficient de transfert thermique élevé placé à l'intérieur de l'enceinte (1) sur le fond (4), et un second dissipateur (13) en un matériau présentant un coefficient de transfert thermique élevé plaqué à l'extérieur de l'enceinte (1), contre ladite face externe de la paroi (5) présentant une ouverture (6), en masquant cette dernière, ledit premier dissipateur (9) présentant une partie verticale (11) propre à s'engage dans ladite ouverture (6) de manière à réaliser l'étanchéité entre l'intérieur et l'extérieur de l'enceinte (1) et ledit second dissipateur (13) comportant de préférence des moyens de fixation destinés à lier le bottier à un support, un radiateur ou à une carte de composants électroniques; 7.Bottier selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une préforme de brasure est intercalée entre ledit second dissipateur et ladite face externe, ladite préforme étant dimmensionnée de manière à assurer sur au moins trois côtés de l'ouverture une brasure sur une largeur au moins double de l'épaisseur de ladite paroi (5) présentant l'ouverture (6). 8. Boîtier selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que ledit premier dissipateur (9) a la forme d'une cornière dont la partie verticale (11) présente la même forme et sensiblement la même taille que ladite ouverture (6), de préférence rectangulaire. 9. Bottier selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cadre supérieur (3) de l'enceinte (1) présente un débord (7) extérieur à l'enceinte (1) le long de la paroi (5) de l'enceinte présentant ladite ouverture (6) et en ce que ledit fond (4) présente un débord (8) par rapport à la paroi (5) de lten- ceinte présentant l'ouverture (6), lesdits débords (7,8) du cadre (3) et du fond (4) par rapport à ladite paroi(5) présentant l'ouverture sont de taille identique et s'étendent tout le long de ladite paroi (5). 10. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un refroidisseur à effet Pelletier (14) est posé et éventuellement fixé sur une partie horizontale (10) dudit premier dissipateur (9). 11. Bottier selon l'une quelconque des revendica tions précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un couvercle (15) en un matériau présentant un faible coefficient de dilatation, propre à être fixé par soudure sur ledit cadre supérieur (3). 12. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enceinte (1) et le couvercle (15) sont en alliage de fer, nickel, cobalt, l'enceinte (1) étant de préférence monobloc, en ce que le premier dissipateur (9), et le second dissipateur (13) sont en cuivre, et en ce que ladite préforme (12) est en un matériau de brasure ayant un point de fusion compris entre 200 et 800 OC. 13. Procédé d'assemblage d'un bottier selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer en outre les étapes successives suivantes - percement d'une ouverture (6) dans une paroi latérale (5) de l'enceinte (1) débouchant dans le cadre inférieur (2) - mise en place du fond (4) et fixation de celuici par brasure sur le cadre inférieur (2) de l'enceinte ( 1 ) ; ; - mise en place du premier dissipateur (9) dont la partie verticale (11) s'engage dans l'ouverture (6), sa surface extérieure s'alignant avec la surface extérieure de ladite paroi latérale (5) - mise en place de la préforme (12), la surface intérieure de ladite préforme (12) s'alignant avec ladite paroi (5) présentant l'ouverture (6) - mise en place du second dissipateur (13) contre la surface extérieure de ladite préforme (12) - brasage de l'ensemble par fusion de ladite préforme (12) - mise en place du refroidisseur à effet Pelletier (14) sur le premier dissipateur (9) - implantation de composants dans le bottier - mise en place du couvercle (15) et fixation de celui-ci par soudure sur le cadre supérieur (3).