Brevet FR2683115A1 — publié le 19930430

SUPPORT DE CARTE DE COMPOSANTS ELECTRONIQUES A FAIBLE RESISTANCE THERMIQUE DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un support de carte portant des composants électroniques, ledit support ayant une faible résistance thermique permettant d'évacuer aisément une quantité de chaleur accrue, dégagée par lesdits composants, en direction d'un chassis faisant office de puits thermique. ETAT DE LA TECHNIQUE Les composants électroniques sont habituellement fixés sur des cartes comportant des circuits imprimés d'interconnexion entre lesdits composants Ces cartes sont en général munies de dispositif de liaisons électriques qui permettent de les enficher dans des chassis (ou racks) métalliques ouverts ou fermés (formant coffret) par l'intermédiaire de glissières, également métalliques, dans lesquelles elles coulissent. Elles sont évidemment isolants électriques mais suffisamment bon conducteur thermique. Quand les composants dégagent de la chaleur, cette dernière doit être évacuée pour qu'ils ne soient pas détériorés La température à ne pas dépasser est d'environ 1250 C pour éviter toute augmentation du risque du taux de panne (MTBF). Quand les cartes sont en résine époxy ou en complexe fibre de verre- résine époxy ou autre matière similaire en conducteur de la chaleur, cette dernière peut être évacuée à l'aide de drains thermiques qui relient les composants aux glissières de maintien de la carte, lesdites glissières étant solidaires du chassis qui fait office de radiateur ou puits thermique. Un tel dispositif est insuffisant quand les quantités de chaleur à évacuer augmentent Aussi on a proposé d'utiliser des cartes de constitution plus élaborée Ces cartes comprennent en général deux plaques planes extérieures parallèles, constituant deux cartes imprimées proprement dites ou deux circuits céramiques d'inter-connexion (que l'on désignera par la suite également par l'appelation carte imprimée), sur lesquelles sont fixés les composants électroniques; elles enserrent un support métallique, également plan, bon conducteur thermique. Les cartes imprimées sont isolant électrique mais doivent cependant avoir une conductibilité acceptable Ainsi on choisit généralement comme matériau des cartes imprimées des plaques minces d'alumine frittée et, comme matériau du support, des sandwiches métalliques colaminés du type Cu-invar-Cu, ou Cu Mo Cu qui ont un même coefficient de dilatation que l'alumine. La capacité d'évacuation de chaleur de ce dispositif peut être augmenté en faisant circuler un fluide de refroidissement dans le support métallique Mais cela nécessite, en plus des dispositifs de connexion électrique de la carte imprimée, la présence de dispositifs de connexion hydraulique des circuits de refroidissement entre le support métallique de la carte et le chassis; ainsi les connexions hydrauliques se trouvent imbriquées au milieu des connexions électriques. On voit que la quantité de chaleur évacuable est limitée par la résistance thermique de la chaîne allant des composants électroniques au chassis, ce dernier ayant évidemment la capacité suffisante de dissipation de la chaleur qui lui est amenée. Ainsi la demanderesse a cherché à diminuer la résistance thermique du support de carte imprimée qui est une pièce essentielle de ladite chaîne; elle assure en effet la liaison thermique entre la carte imprimée, supportant les composants électroniques générateurs de chaleur, et les glissières du chassis qui assurent le contact thermique avec ledit chassis dissipant la chaleur. L'invention a également pour but de pouvoir augmenter la puissance des composants fixés sur les cartes imprimées. DESCRIPTION DE L'INVENTION L'invention est un support de carte imprimée (ou circuit céramique d'interconnexion), sur laquelle sont montés des composants électroniques, support permettant d'évacuer une quantité accrue de chaleur dégagée par lesdits composants en direction d'un chassis dissipateur d'énergie avec lequel il est en contact thermique et caractérisé en ce qu'il comprend deux plaques planes métalliques parallèles de périmètre identique délimitant entre elles un espace que l'on dot entièrement le long dudit périmètre, ledit espace contenant un matériau métallique en contact avec lesdites plaques et étant rempli partiellement par un liquide travail vaporisable à la température de fonctionnement du support. Les cartes imprimées sont en général en céramique isolant électrique et ayant la meilleure conductibilité thermique possible On emploie habituellement l'alumine frittée, mais d'autres céramiques sont utilisables, par exemple nitrure d'aluminium, oxyde de beryllium, carbure de silicium Leur épaisseur est déterminée de façon à avoir simultanément une faible résistance thermique et une tenue mécanique suffisante. La nature des plaques métalliques, sur lesquelles sont fixées les cartes imprimées, est choisie de façon à avoir un coefficient de dilatation adapté à celui de la carte imprimée Par exemple quand la carte est en alumine, on choisit avantageusement des plaques colaminées cuivre-invar-cuivre, ou Cu-Mo-Cu. Le support selon l'invention se présente donc habituellement sous la forme d'une plaque creuse parallélépipédique, entièrement et hermétiquement fermée sur son pourtour, de faible épaisseur (généralement quelques mm), l'espace intérieur étant complètement occupé par le matériau métallique poreux et partiellement rempli par le liquide de travail en équilibre uniquement avec sa vapeur. Le fonctionnement du support selon l'invention peut se résumer de la façon suivante La chaleur émise par certains composants électroniques est transmise au liquide, présent à cet endroit du support, qui se vaporise; la vapeur va alors se condenser en une zone froide, tandis que du liquide retourne dans la zone chaude grâce à la capillarité du milieu poreux et quelle que soit l'orientation du support. La chaleur à évacuer gagne ainsi les zones les plus froides du support qui sont les glissières, o est inséré le support, et donc le chassis dissipateur de chaleur. Grâce à l'utilisation de la chaleur latente de vaporisation du liquide, on voit que le support peut transporter des quantités accrues de chaleur, des points chauds aux points froids et finalement au dissipateur de chaleur, et que, dans un premier temps, la température dudit support se trouve uniformisée par ce phénomène de transfert. Les modalités de mise en oeuvre de l'invention sont variées. Pour améliorer la rigidité du support et le transfert de chaleur entre les plaques planes extérieures et le remplissage intérieur (matériau poreux et liquide), il est avantageux de mettre des entretoises entre les deux plaques Selon un mode particulier de réalisation ces entretoises peuvent être constituées d'une feuille métallique, pleine ou perforée, ondulée en forme de sinusoïde, le sommet des sinusoïdes étant fixé (par exemple brasé) sur la face intérieure des plaques, l'aspect général obtenu ressemblant à du carton ondulé; une telle structure est produite par la Société Metal Imphy à partir de ses colaminés Cu-invar-Cu de marque Phyclad Le matériau métallique poreux et le liquide prennent alors place entre les sinusoïdes et les plaques planes. Le matériau métallique poreux peut être constitué de métal fritté, de tissu ou de mêches métalliques tricotés ou tressés, de bourre de fibres ou de mousse métalliques etc Le métal peut être Cu, Ni, Al, en général tous les métaux bons conducteurs de la chaleur La forme, le nombre, la dimension des fils métalliques peut être variable, par exemple: fils ronds ou avec méplat, diamètre de 0,05 mm à 0,5 mm L'important est que compte tenu du liquide et du métal utilisés, on ait une pression capillaire suffisante pour que ledit liquide puisse circuler, malgré la pesanteur ou des accélérations négatives ou quelle que soit l'orientation du support, sans que l'on augmente excessivement la perte de charge qui s'oppose au déplacement de la vapeur. Ainsi quand le support comporte une entretoise sinusoïdale, on peut introduire des mèches métalliques tressées ou tricotées dans les canaux de la sinusoïde, et compléter ensuite par une mèche transversale pouvant recouvrir toutes les extrémités des mèches émergeant desdits canaux. Le liquide de travail, servant au transfert de calories, a en général un point d'ébullition inférieur à 1250 C, de bonnes stabilité et inertie chimiques, la plus forte chaleur latente de vaporisation possible, et est de préférence isolant électrique On peut ainsi utiliser l'eau, les fluorocarbones ou chlorofluorocarbones, certains alcools ou des mélanges de liquide, par exemple eau-méthanol, etc Il est en général introduit dans le support après y avoir fait un vide et un dégazage complet de façon à éliminer toute trace de gaz incondensable qui nuirait au bon fonctionnement du support; il est donc uniquement en équilibre avec sa vapeur. Un exemple non limitatif de réalisation est donné par la fig l qui est une vue éclatée d'un support de carte rectangulaire plan avant fermeture et dont la longueur a été tronquée Les repères ( 1) et ( 2) représentent respectivement des plaques planes métalliques supérieure et inférieure en colaminé Cu-invar-Cu; sur chacune de leur surface plane extérieure (la) et ( 2 a)est fixée une carte imprimée supportant les composants électroniques (non représentés) Dans l'espace ( 2) situé entre les plaques ( 1) et ( 2) on note l'entretoise ( 4) qui est une tôle pleine ondulée en forme de sinusoïde dont les sommets sont fixés sur les faces intérieures des plaques ( 1) et ( 2) Dans cette réalisation la section transversale sinusoïdale de la tôle entretoise est perpendiculaire au grand axe du rectangle formé par les plaques ( 1) et ( 2). Dans les canaux formés par l'onde sinusoïdale et les plaques ( 1) et ( 2) ont été introduites des mèches métalliques ( 5) tressées, en cuivre, qui émergent à chaque extrémité des canaux. Dans le cas présent, l'espace ( 3) est fermé sur chacun de ses petits côtés à l'aide d'un bouchon creux ( 6) de même largeur et épaisseur que l'ensemble sandwich formé par les plaques ( 1) et ( 2) et l'entretoise ( 4), ayant une section en forme de U à l'intérieur duquel on met également de la tresse ou de la bourre métallique ( 7) qui, une fois qu'on aura abouté le bouchon ( 6) sur les plaques ( 1) et ( 2), viendra recouvrir les extrémités des mèches ( 5) dépassant des canaux Les grands côtés de l'espace ( 3) sont fermés, à leur tour, par des barrettes parallélépipédiques ( 8) obturant également les bords de l'espace en U des bouchons ( 6) Un des bouchons ( 6) porte un queusot ( 9) destiné à introduire le liquide de travail dans l'espace ( 3); ce queusot ( 9) est ensuite obturé définitivement. Le support de carte imprimé selon l'invention n'est pas limité en dimension et peut par exemple s'appliquer à la réalisation de supports de dimensions 140 à 170 mm x 80 à 100 mm (correspondant au standard de format 1/2 ATR (signification et/ou domaine d'emploi ?) Il possède une conductibilité thermique globale remarquable, nettement supérieure (de plusieurs puissances de 10) à celle obtenue avec un support uniquement à base de cuivre, ou métallique refroidi par circulation de fluide, sans présenter les inconvénients de ces derniers dus aux branchements hydrauliques délicats à effectuer Ainsi il permet d'évacuer sans problème des puissances allant de 0,5 à 2 W/cm 2. Grâce à son mode de fonctionnement il opère également une répartition homogène de la température dans le support et supprime la présence de points chauds préjudiciables à l'obtention d'un faible taux de risque de panne de la carte imprimée et des composants. On peut également adapter son coefficient de dilatation à celui de la carte imprimée, par le choix des matériaux de constitution. Par le choix judicieux des matériaux de remplissage de l'espace clos (matériau poreux métallique et liquide de travail) on peut faire varier, et adapter aux besoins, la conductibilité thermique globale du support. Grâce en particulier à la capillarité adaptée du matériau poreux, la conception du remplissage de l'espace clos permet au support de fonctionner, non seulement dans toutes les orientations comme cela a été déjà dit, mais également sous des accélérations négatives: ceci le rend particulièrement apte à être utilisé pour l'équipement électronique de puissance d'engins de transport, entre autres des aéronoefs, ou de plus, sa simplicité de fonctionnement, de mise en place et d'utilisation, sa légèreté par rapport à des supports métalliques pleins, sa compacité identique à celle d'un support habituel, sont des atouts importants. REVENDICATIONS 1 Support de carte imprimée, sur laquelle sont montés des composants électroniques, support permettant d'évacuer une quantité accrue de chaleur dégagée par lesdits composants en direction d'un chassis dissipateur d'énergie avec lequel il est en contact et caractérisé en ce qu'il comprend deux plaques planes métalliques parallèles de périmètre identique, délimitant entre elles un espace que l'on clot entièrement le long dudit périmètre, lequel espace contient un matériau métallique poreux en contact avec lesdites plaques et est rempli partiellement par un liquide vaporisable à la température de travail dudit support. 2 Support selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit support est enfiché dans des glissières solidaires du chassis faisant office de puits thermique. 3 Support selon l'une quelconque des revendications caractérisé en ce que les plaques planes sont séparées par des entretoises. 4 Support selon la revendication 3 caractérisé en ce que les entretoises sont constituées par une feuille métallique pleine ondulée en forme de sinusoïde. Support selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les plaques sont en colaminé Cu-invar-Cu pour des cartes imprimées en alumine frittée. 6 Support selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le matériau poreux est constitué de métal fritté, de tissu, de bourre de fibre, de mousse ou de mèches métalliques.