Brevet FR2663185A1 — publié le 19911213

La présente invention concerne le domaine des systèmes électroniques utilisant des composants pour montage en surface. Ces composants pour montage en surface sont généralement dénommés "CMS". Les composants CMS comprennent des puces de semiconduc- teurs placées dans des boîtiers en matière plastique pourvus de pattes de raccordement, coplanaires, destinées à être soudées directement, en surface, sur les pistes conductrices d'un circuit imprimé. L'invention concerne plus particulièrement la dissipation thermique au niveau des cartes électroniques et le refroidissement des composants actifs de type CMS. Les composants de type CMS et les composants en boîtier à fils classiques utilisent souvent des puces identiques La dissipation thermique d'un boîtier de type CMS est cependant dans certains cas trois fois inférieure à celle du boîtier classique pour un composant équivalent, ce qui limite fortement son utilisation, notamment pour les transistors haute fréquence de moyenne puissance. L'invention a donc pour but de favoriser la dissipation thermique d'un composant de type CMS vers l'air ambiant sans dégrader ses performances électriques. La figure l annexée rappelle les paramètres intervenant dans le calcul de l'élévation de température de la jonction d'un semiconducteur. Rth j-c résistance thermique jonction-boîtier. Rth c-a résistance thermique boîtier air ambiant. Rth r: résistance thermique du radiateur. Tj température de la jonction. Tc: température du boîtier. Ta: température ambiante. P puissance dissipée dans la jonction. La température de jonction est donnée par Tj = Ta + P (Rth j-c + Rth c-a Rth r 1 Rth c-a + Rth r/ L'élévation de température d'un semiconducteur pour une puissance donnée, dépend donc de deux paramètres. D'une part, la résistance thermique jonction-boîtier (Rth j-c) qui dépend essentiellement du type de boîtier utilisé et de la technologie de fabrication du composant D'autre part, un terme Rth c-a Rth r Rth c-a + Rth r caractérisant la capacité pour un composant électronique de dissiper la chaleur qu'il produit Il apparaît que ce terme peut être fortement réduit en utilisant des radiateurs offrant une bonne dissipation thermique (Rthr faible). Pour les composants électroniques classiques à fils en boîtier métallique, il existe de nombreux radiateurs de dimensions et de formes très diverses pouvant se fixer sur les boîtiers de ces composants et permettant ainsi de maîtriser parfaitement la dissipation thermique. Pour les composants de type CMS, il n'en est pas de même car les boîtiers sont en matière plastique et interdisent donc toute fixation mécanique d'un radiateur Les fabricants de composants recommandent donc de réaliser des plots de soudure de surface importante afin d'améliorer la dissipation thermique. Un boîtier CMS associé de façon classique à un pavé de cuivre de surface importante est illustré schématiquement sur la figure 2 annexée. Sur cette figure on a représenté schématiquement un boîtier de transistor HF de type CMS comprenant une base 12, deux émetteurs 14, 16 et un collecteur 18. La base 12, les émetteurs 14, 16 et le collecteur 18 sont soudés sur des pistes conductrices portées par un circuit imprimé 20 On aperçoit également sur la figure 2 annexée un pavé de cuivre 22 de surface importante lié à la patte de collecteur 18. La disposition représentée sur la figure 2 associée est conforme aux recommandations données dans la note BFG 135 diffusée par la Société Philips pour un transistor large bande NPN 1 G Hz. L'utilisation de "pavés" de cuivre au niveau des plots de soudure d'un composant augmente la capacité de ces plots et est donc préjudiciable pour l'utilisation des composants en haute fréquence Elle conduit également à une augmentation de la surface nécessaire pour une réalisation et n'améliore pas la dissipation thermique vers l'air ambiant lorsque le dispositif électronique est logé dans un boîtier étanche. Comme indiqué précédemment le but de l'invention est de proposer un nouveau dispositif permettant d'améliorer la dissipation des composants de type "montage en surface" (CMS) sans en dégrader les performances. A cette fin, la présente invention propose, dans un dispositif comprenant des composants électroniques montés en surface, de placer un élément, tel qu'un cylindre, en matériau diélectrique apte à assurer la fonction de shunt thermique entre une connexion d'un composant électronique de type CMS et un élément radiateur. La disposition ainsi proposée dans le cadre de la présente invention permet de diminuer de manière significative la résistance thermique entre le boîtier d'un composant CMS et l'air ambiant et ce sans affecter les performances électriques du produit. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs sur lesquels: la figure l précédemment évoquée rappelle les paramètres intervenant dans le calcul de l'élévation de température de la puce d'un semiconduc- teur, la figure 2 précédemment évoquée représente l'état de l'art en matière de refroidissement de composant CMS, la figure 3 représente la structure d'un dispositif de refroidissement conforme à une première variante de réalisation de la présente invention, et la figure 4 représente la structure d'un dispositif de refroidissement conforme à un autre mode de réalisation préférentiel de la présente invention. Le dispositif refroidissement conforme à l'invention, représen- té figure 3, comprend principalement un élément 305 réalisé dans un matériau diélectrique de type alumine ou céramique présentant une faible conductivité électrique tout en ayant une conductivité thermique intéressante pour l'application. Comme représenté sur la figure 3 l'élément 305 est de préférence un cylindre, très préférentiellement un cylindre de révolution. La figure 3 représente un composant CMS 302 pouvant être un transistor de moyenne puissance HF monté sur un circuit imprimé 301 La connexion 303 du composant est soudée sur un "pavé" de cuivre 304 conformément aux recommandations du constructeur Cependant, contrai- rement à l'état de l'art qui consiste à augmenter la surface du pavé 304 pour améliorer la dissipation thermique du composant, selon la présente invention, la base 3051 du cylindre 305 est appliquée sur un pavé 304 de surface réduite et un élément radiateur est appliqué sur le sommet 3052 du cylindre Le cylindre 305 assure ainsi la fonction de shunt thermique entre le composant et un élément radiateur. L'élément radiateur placé sur le sommet 3052 du cylindre peut être formé par tout radiateur connu ou dérivé de l'état de la technique. Pour cette raison le radiateur n'a pas été représenté sur la figure 3 annexée pour simplifier l'illustration. Le radiateur est de préférence métallique. Le radiateur peut par exemple être formé d'un boîtier étanche, notamment métallique, logeant le circuit électronique et venant en contact avec le sommet 3052 du cylindre 305. L'invention permet donc: de limiter la surface nécessaire à la réalisation d'une carte électronique, de ne pas affecter les caractéristiques électriques du composant et ce notamment en haute fréquence, d'assurer la dissipation thermique vers l'extérieur d'un dispositif électronique contenu dans un boîtier étanche en utilisant ce même boîtier comme radiateur entrant en contact au niveau de la face 3052 du cylindre 305. La figure 4 représente un mode de réalisation préférentiel du dispositif de refroidissement conforme à la présente invention. Le cylindre 405 en matériau diélectrique, représenté sur la figure 4, présente dans ce mode de réalisation, une métallisation 406 sur sa base. Cette métallisation permet de souder le cylindre 405 sur le circuit imprimé tout comme un autre composant. La forme et les dimensions du cylindre sont déterminées d'une part pour assurer la fonction de shunt thermique et d'autre part, dans la mesure du possible, pour être manipulable par un robot automatique de câblage. La présente invention trouve en particulier application à la réalisation d'un dispositif de dissipation thermique dans le cas des cartes électroniques montées dans un boîtier métallique étanche afin d'assurer une bonne immunité radioélectrique en haute fréquence. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits, mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit. R E V E N D I C A T I O N S 1 Dispositif comprenant des composants électroniques montés en surface, caractérisé par le fait qu'il comprend un élément ( 305, 405) en matériau diélectrique placé entre une connexion ( 304) d'un composant monté en surface ( 302) et un élément radiateur, pour assurer la fonction de shunt thermique entre ceux-ci. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément ( 305, 405) en matériau diélectrique à la forme d'un cylindre. 3 Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'élément ( 305, 405) en matériau diélectrique a la forme d'un cylindre de révolution. 4 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le matériau diélectrique est de l'alumine. 5 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le matériau diélectrique est de la céramique. 6 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'élément radiateur en contact avec une face ( 3052) de l'élément ( 305, 405) en matériau diélectrique, est métallique. 7 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que l'élément radiateur est constitué par le boîtier contenant le dispositif électronique. 8 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que l'élément ( 305, 405) en matériau diélectrique comporte une métallisation ( 406) à sa base permettant de le souder sur une carte de circuit imprimé ( 301) au même titre qu'un composant électronique. 9 Dispositif de refroidissement formé d'un élément en matériau diélectrique tel que défini dans l'une des revendications 1 à 8. Application du dispositif de refroidissement conforme à l'une des revendications 1 à 9 à la réalisation d'un équipement électronique dans un boîtier métallique blindé.