Brevet FR2639476A1 — publié le 19900525

ELEMENTS COMPOSITES ISOLANTS ELECTRIQUES ET BONS CONDUCTEURS THERMIQUES ET ASSEMBLAGES METTANT EN OEUVRE DE TELS ELEMENTS. DESCRIPTION La présente invention se rapporte d'une façon générale à des éléments composites qui soient à la fois isolants électriques et bons conducteurs thermiques et à des assemblages particuliers mettant en oeuvre de tels éléments. Un bon écoulement de La chaleur produite par un certain nombre de composants électroniques, par exemple les transistors de puissance, est nécessaire afin de Les faire travailler au mieux de leurs possibilités. On est donc amené à réaliser des assemblages du composant électronique avec un support qui sert de radiateur. Le composant et le radiateur sont réunis par un élément d'assemblage qui doit fréquemment etre à la fois bon conducteur thermique et isolant électrique car le radiateur est le plus souvent métallique. Il s'agi t donc de trouver des éléments d'assemblage qui présentent ces deux propriétés ainsi que des caractérisques mécaniques satisfaisantes. La soudure directe du composant sur le radiateur présente des inconvénients parce qu'elle emploie souvent des métaux coûteux, et sa fiabilité n'est pas toujours suffisante. Les colles peuvent quant à eLLes se dégrader avec le temps. On a égaLement Largement utilisé des rondeLles isolantes éLectriques intercalées entre le radiateur et le composant. La liaison se fait éventuellement encore par soudure ou collage, mais peut également utiliser un boulon. Ces rondelles sont souvent en mica, mais elles présentent alors l'inconvénient de ne pas assurer un contact parfait entre les pièces assemblées, si bien qu'on a proposé de les recouvrir de vernis ou de graisse pour faciliter les transferts thermiques, ce qui complique la fabrication du circuit électronique. Les rondelles d'oxyde de béryllium sont fort coûteuses alors que celles d'alumine, éventuellement recouvertes de fines couches de cuivre sur ses faces opposées, ne sont pas non plus très bonnes car l'alumine est un produit cassant. On peut en dire autant d'autres produits tels que le verre et la porcelaine. On propose d'après l'invention un élément composite dépourvu de ces inconvénients et qui forme à tous points de vue un excellent intercalaire entre deux pièces à des potentiels électriques différents et entre Lesquelles on veut favoriser la conduction de chaleur. Les matériaux de cet élément composite sont bon marché et la fabrication est facile puisqu'on peut recourir à tous les procédés usuels d'usinage, de découpage d'emboutissage, de repoussage, etc., le cas échéant. L'éLément ainsi obtenu présente une bonne résistance mécanique, stable avec le temps, et son élasticité permet d'assurer par serrage une bonne surface d'échange thermique sans courir le risque de casser L'élément. Sous sa forme la plus généra Le, L'élément composite selon l'invention est constitué de plusieurs couches d'un métaL bon conducteur de la chaleur, tel que le cuivre ou L'aluminium, et de feuilles minces isolantes électriques qui séparent Les couches métalLiques et adhèrent chacune à deux couches métalliques. Les inventeurs ont constaté que l'interposition de ces feuilles minces, qui sont notamment constituées de polymères, ne compromet pas dans l'élément composite les bonnes propriétés mécaniques que le métal lui apporte et qu'elles introduisent une isolation électrique parfaite sans produire une résistance excessive à L'écoulement de chaleur. L'élément composite utilisé comme intercalaire peut prendre des formes très variées. Si Les couches et les feuilles sont planes, ce sera une rondelle ; si elles sont tubulaires, ce sera un manchon. D'autres formes plus complexes, telles que le manchon à collerette et le rivet, appartiennent également à l'invention. L'élément composite peut etre utilisé directement en tant que radiateur pour un composant électronique appliqué contre l'une de ses faces bonne conductrice de La chaleur, par exemple à l'aide d'un boulon isolé du radiateur. Cette isolation électrique pourra se faire grâce à une rondelle intercalaire selon l'invention ; on pourra aussi graver la deuxième face de la plaque composite, selon un contour fermé autour de la surface d'appui d'un boulon électriquement conducteur, pour réaliser l'équivalent de cette rondelle. Enfin, l'élément composite peut être utilisé en tant que capot refroidisseur des composants ~lectroniques ; il est alors formé selon un bottier et assure également la fonction de protection des composants contenus à l'intérieur. Dans ce cas, il est préférable de fixer les composants à refroidir i la face intérieure de ce bottier, ou de les fixer à un couvercle plan selon l'invention, afin de bénéficier de la bonne conduction thermique du composite. On peut également les fixer à La face extérieure du bottier en gravant cette face comme déjà mentionné ci-dessus. L'invention concerne également des assemblages simples et fiables mettant en oeuvre certains de ces éléments composites. On va maintenant décrire plus en détail l'invention à l'aide des figures annexées, énumérées ci-après et qui sont données à titre illustratif et nullement limitatif : - la figure 1 représente une vue fragmentaire d'un éLément composite conforme à l'invention, - les figures 2 à 7 représentent diverses formes particulières que les éléments composites peuvent prendre, et - Les figures 8 à 13 représentent divers assemblages utilisant les éléments composites. L'élément composite représenté sur la figure 1 est donc constitué, sous sa forme la plus générale, d'un empilement de couches métalliques 1 entre lesquelles se trouvent des feuilles isolantes électriques 2 qui adhèrent chacune à deux couches métalliques 1. Deux couches métalliques extrêmes 1', auxquelles une seule feuille isolante 2 adhère, présentent une face libre 3 ou 4 opposée à cette feuille isoLante 2 et destinée à venir au contact respectivement de la pièce émettrice de chaleur et du radiateur. Le choix du nombre de couches métalliques 1 et de feuilles isolantes 2, de même que celui de leurs matériaux et de Leurs épaisseurs, dépend bien entendu de l'application. On peut toutefois citer comme matériau intéressant le cuivre ou l'aluminium, dont la conductivité thermique est excellente, pour les couches métalliques 1 et un polymère tel que le Kapton ou un polyimide pour les feuilles isolantes 2. D'une façon générale, les feuilles isolantes 2 devront être deux fois plus minces au moins que les couches métalliques 1, et éventuellement beaucoup moins. Des valeurs plausibles sont 0,25 à îmm pour les couches métalliques 1 et au-dessous d'un dixième de millimètre pour les feuilles isolantes 2. Un élément composite particulièrement simple est celui de La figure 2 : il s'agit d'une rondelle discoidate pleine 10 composée de deux couches métalliques 1 planes et d'une feuille isolante 2 également plane. La feuille isolante 2 peut présenter avantageusement un pourtour débordant 11 qui allonge les Lignes de champ électrique entre les deux couches métalliques 1 à Leur périphérie et parfait donc l'isolation électrique. La surface extérieure de l'élément composite, aussi bien ses faces extrêmes 3 et 4 que sa tranche, peut être recouverte de revêtements quelconques pour par exemple lutter contre la corrosion. D'autres formes de réaLisation de l'invention apparaissent sur les figures 3 et 7 ; on notera que, quoiqu'elles ne comportent que deux couches métalliques 1 et une feuille isolante 2 dessinées, elles pourraient en comporter davantage, conformément à l'enseignement de la figure 1. La figure 3 représente une rondelle discoïdale femelle 12, identique à la précédente Si ce n'est qu'elle comporte un évidement central 13 destiné à un boulon. Un autre pourtour débordant 11' de la feuille isolante 2 peut s'étendre dans L'évidement central 13. Dans la réalisat;on de la figure 4, les couches métalliques 1 et les feuilles isolantes 2 ne sont pas planes mais tubulaires et coaxiales pour former un manchon tubulaire 15. La figure 5 représente quant à elle une rondelle maIe 16 composée de l'union d'un manchon tubulaire 19 analogue à celui référencé 15 sur la figure précédente et d'une collerette plane 17 analogue à la rondelle femelle 12 et qui s'étend à partir d'une extrémité du manchon tubulaire 19 radialement vers L'extérieur. Un tel élément peut être fabriqué à partir d'une rondelle plane par emboutissage. La continuité des couches métalliques 1 et des feuilles isolantes 2 est alors parfaitement respectée à la jonction angulaire 18. Le découpage de la collerette 17 par tout moyen approprié permet de conduire à la disposition de la figure 4. La figure 6 montre que les couches métalliques I et les feuilles isolantes 2 peuvent être des surfaces planes de plus grandes dimensions servant par elles-mêmes de radiateur. Il est alors possible de ménager dans L'une des couches métalliques extrêmes 1', ou éventuellement dans les deux, des tlots conducteurs 20 obtenus en retirant la couche métallique 1' autour du périmètre 21 de ces flots 20 jusqu'à mettre la feuille isolante 2 à nu. Chacun des trots 20 peut alors recevoir un composant électronique différent destiné à être porté à un potentiel particulier. La plaque composite 22 gravée ou non pour créer des tlots 20 peut être recourbée par emboutissage pour former un bottier complet présentant une bien meilleure conduction thermique entre intérieur et extérieur que les capots plastiques de l'art antérieur, tout en leur étant équivalent sur le plan de l'isolation électrique. Il est en outre moins fragile, moins perméable aux parasites électromagnétiques et présente une meilleure tenue à la chaleur que ces capots plastiques. La figure 7 représente une autre rondelle pleine 24 qui diffère de celles de la figure 2 en ce qu'une des couches métalliques, référencée ici 25, a le même diamètre que la feuille isolante 26, alors que l'autre couche métallique 27 est entièrement à l'intérieur du périmètre de la feuille isolante 26. On retrouve l'avantage du pourtour saillant il de la figure 2, c'est-à-dire l'allongement des lignes de champ électrique entre les couches métalliques 26 et 27, tout en offrant un meilleur soutien de la feuille isolante 26. Divers assemblages utilisant des éléments conformes à l'invention sont décrits figures 8 à 13. La figure 8 représente un montage isolateur électrique permettant de relier deux pièces 38 et 39 à des potentiels différents au moyen d'un boulon conducteur. Comme le représente cette figure 8, un montage possible dans le cas de tensions élevées consiste alors à disposer deux empilements 40 et 41 de rondelles femelles 12 de part et d'autre d'une des pièces 38. Un des empilements 40 est disposé plus précisément entre les deux pièces 38 et 39 et l'autre 41 entre la première pièce 38 et une joue métallique 42. Cet empilement de rondelles élémentaires à deux couches métalliques et une feuille isolante peut être remplacé par une rondelle unique formée d'un plus grand nombre de couches et de feuilles et présentant les mêmes dimensions géométriques avec une efficacité de conduction thermique et d'isolation électrique semblable.Cette constatation est encore valable pour d'autres assemblages dont la description va suivre. Le boulon conducteur 43 s'étend entre la seconde pièce 39 et la joue métallique 42, appuie sur celles-ci et exerce donc un serrage de l'ensemble. La joue ntaliiquc 42 et la seconde pièce 39 sont au même potentiel électrique, ce qui impose d'avoir deux empilements 40 et 41 semblables. Il est en outre utile de disposer un fanchon isolant 44 cylindrique autour de la tige de vis du boulon 43 pour l'isoler de la première pièce 38 et des rondelles 12. Dans le cas de tensions faibles, les empilements 40 et 41 peuvent chacun être remplacés par une seule rondelle selon l'invention. Dans le cas concret du transistor de puissance 30 monté sur radiateur 31, la figure 9 montre qu'on peut utiliser une rondelle 12 entre le transistor 30 et le radiateur 31 entourant un boulon conducteur 46, accompagnés d'un manchon à collerette 16 conforme à la figure 5, entre le bouchon conducteur 45 et le radiateur 31, la collerette étant serrée par l'écrou. Le radiateur massif 31 de la figure 9 peut avantageusement être remplacé par une plaque composite 22 du type de celle représentée figure 6 comme on le voit sur la figure 10. Une attaque chimique selon un contour fermé 21 permet d'isoler le boulon conducteur 48 de la face inférieure de la plaque composite 22. Une rondelle plate 12 est éventuellement serrée entre l'écrou du boulon conducteur 48 et un pilot 20. Le boulon conducteur 48 s'étend plus précisément dans un perçage 47 opéré au centre de l'5lot 20 et de part en part de la plaque composite 22. Le transistor 30 s'appuie quant à lui sur la face supérieure de la plaque composite 22. La plaque composite 22 de la figure 6 peut être utilisée (figure 11) pour porter des composants électroniques 49a, 49b, etc., chacune d'entre elles étant collée sur un tlot 20a, 2tub, etc., associé. Leurs connexions électriques respectives 50a, 50b, etc. sont tenues éloignées de la plaque composite 22 qui est ici illustrée recourbée en bottier. Les plaques composites selon l'invention peuvent remplacer les capots métalliques ou plastiques habituellement utilisés en conciliant leurs avantages respectifs. Une telle plaque, recourbée et dépourvue d'flots 20a, 20b,..., peut être associée à un couvercle plan composite selon l'invention, lui-meme gravé, muni d'ilotes pour former un bottier fermé. De même, on pourrait ménager des rlots sur la face externe du bottier de la figure 11 pour porter par exemple des transistors tels que celui représenté sur la figure 10 : le transistor serait alors disposé sur la face externe du bottier de la figure 11 et isolé du reste de cette face par un flot l'entourant ; les connexions du transistor seraient effectuées à l'intérieur du bottier de la figure 11. La figure 12 montre qu'on peut employer la rondelle sale 16 de la figure 5 comme élément intercalaire entre une vis conductrice 53 et une pièce alésée 54 telle qu'une plaque à un potentiel électrique différent. La tête de vis 55 appuie sur la collerette 17, alors que le manchon tubulaire 19 est engagé dans l'alésage 56 et sépare la pièce alésée 54 de la tige de vis 57. Si le manchon tubulaire 19 a une longueur suffisante, il dépasse de la pièce 54 à l'opposé de la collerette 17 et on peut éventueLle#ent, avant l'insertion de la vis, déformer vers l'extérieur l'extrémité correspondante du manchon tubulaire 19 pour constituer un rivet 59 solidaire de la pièce alésée 54. Ce rivet 59, comme l'illustre la figure 13, se distingue de la rondelle mêle 16 par un rebord plan 58 à l'opposé de la collerette 17. L'évidement central du rivet 59 peut alors recevoir une tige de vis ou une tige coulissante 60 à un potentiel électrique différent de celui de la pièce alésée 54. La liaison rigide entre les pièces par l'intermédiaire des éléments composites n'est pas forcément réalisée par des boulons. Il est possible d'utiliser des rivets ou de souder les pièces sur les surfaces libres 3 et 4 par un matériau d'apport bon conducteur thermique. REVENDICATIONS 1. Elément composite isolant électrique et bon conducteur thermique, destiné à être intercale entre deux pièces à des potentiels électriques différents, caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins deux couches (1, 1') en un métal bon conducteur de la chaleur et de feuilles minces isolantes électriques (2) qui séparent les couches métalliques et adhèrent chacune à deux couches métalliques, les pièces étant appliquées sur une surface libre (3, 4) de deux couches métalliques extrêmes (1') auxquelles une seule feuille isolante t2) adhère. 2. Elément composite suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le métal est du cuivre ou de l'aluminium. 3. Elément composite suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les feuilLes isolantes sont en polymère. 4. Elément composite suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le polymère est du polyimide. 5. Elément composite suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les feuilles isolantes sont au moins deux fois plus fines que les couches métalliques auxquelles elles adhèrent. 6. Elément composite suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que certaines au moins des feuilles (26) isolantes débordent (11) d'au moins une des couches métalliques (27) auxquelles elles adhèrent. 7. élément composite (10, 12, 24) suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il ne comprend que deux couches métalliques et une feuille isolante. 8. élément composite (12) suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la feuille isolante déborde des deux couches métalliques. 9. élément composite (22) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'au moins une des deux couches métalliques extrêmes est morcelée en parties séparées (20). 10. Elément composite (22) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les couches métalliques et les feuilles isolantes sont des plaques recourbées. 11. Elément composite (10, 12) suivant la revendication 10, caractérisé en ce que les couches métalliques et les feuilles isolantes sont des plaques planes. 12. Elément composite suivant la revendication 11, caractérisé en ce que les plaques sont discoidates. 13. élément composite (12 > suivant la revendication 12, caractérisé en ce que les plaques sont évidées (13) au centre. 14. Elément composite (15) suivant L'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les couches métalliques et les feuilles isolantes sont des tubes coaxiaux constituant un manchon. 15. Elément composite (16) suivant la revendication 14, caractérisé en ce que les couches métalliques t1) et les feuilles isolantes (2) sont prolongées à une extrémité par des parties planes s'étendant vers l'extérieur des tubes, les parties planes formant une collerette. 16. Elément composite (59) suivant la revendication 14, caractérisé en ce que les tubes sont prolongés à leurs extrémités par deux rebords (17, 58) s'étendant à l'extérieur des tubes. 17. Assemblage de deux pièces par un moyen de liaison isolant électrique, caractérisé en ce qu'il utilise au moins un élément composite conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 16 entre les deux pièces, chacune des pièces étant appliquée sur une surface libre (3, 4) respective de l'élément. 18. Assemblage selon la revendication 17, caractérisé en ce que le moyen de liaison est un boulon (32, 43, 46) et que les éléments composites sont conformes à la revendication 13, entourent le boulon et sont disposés entre les pièces. 19. Assemblage d'une piéce sur une surface, caractérisé en ce que la surface est un élément composite (22) conforme à la revendication 9, la pièce (49) reposant sur une seule des parties séparées (20) de la couche extrême morcelée. 20. Assemblage d'une première pièce (30) sur une seconde pièce (31) au moyen d'un boulon à tige (46, 48) fixé à la première pièce et passant à travers la seconde pièce, caractérisé en ce qu'il comprend, disposé autour de la tige du boulon et au contact de la seconde pièce (31), au moins un élément composite (12, 45) conforme à l'une des revendications 13 et 15. 21. Assemblage de deux pièces (38, 39) par un boulon, caractérisé en ce qu'il comprend un manchon tubulaire (44) isolant électrique entourant te boulon, deux groupes (40, 4i) comprenant chacun au moins un élément composite (12) conforme à La revendication 13, les deux groupes entourant le manchon, un des groupes (40) étant situé entre les deux pièces, l'autre groupe (41) étant séparé du premier groupe par une des pièces (38), le boulon exerçant un serrage entre ledit autre groupe (41) et l'autre pièce (39). 22. Assemblage d'une pièce (53) à tige (57) et épaulement (55) sur une surface alésée (54), la tige pénétrant dans l'alésage (56), caractérisé en ce qu'il utilise un élément composite (16) conforme à la revendication 15, dont le manchon (19) entoure la tige et pénètre dans l'alésage, et la collerette (17) s'étend entre la surface (54) et l'épaulement (55). 23. Assemblage d'une tige (60) à travers un alésage d'une plaque (54), caractérisé en ce qu'il utilise un élément composite (59) conforme à la revendication 16 dont le manchon entoure la tige et s'étend à travers l'alésage et les rebords (17, 58) s'étendent sur la plaque.