Brevet FR2691604A1 — publié le 19931126

CARTE ELECTRONIQUE A REFROIDISSEMENT PAR CONDUCTION THERMIQUE ET SON PROCEDE DE REALISATION L'invention se rapporte au domaine de la dissipation thermique des composants électroniques sur les circuits imprimés et a plus particulièrement pour objet une carte électronique à refroidissement par conduction thermique et un procédé de réalisation d'une telle carte. Dans le secteur des composants électroniques, les circuits intégrés deviennent aujourd'hui de plus en plus petits tout en réalisant des fonctions de plus en plus complexes. L'accroissement de la densité d'intégration conduit à une augmentation de la densité thermique dissipée dans les boîtiers renfermant les cartes électroniques, dont les dimensions physiques restent toujours du même ordre de grandeur. II apparaît alors des problèmes pour évacuer l'énergie dissipée en chaleur au cours de leur fonctionnement. II s'ensuit que, à mesure que les dimensions des circuits intégrés diminuent, la résolution des problèmes posés par la dissipation thermique devient de plus en plus difficile et coûteuse. En raison de problèmes d'ordre économique l'industrie électronique à application essentiellement militaire s'est orientée vers le secteur industriel civil. Actuellement, on constate une forte expansion du matériel électronique dans le secteur industriel civil, qui rivalise aujourd'hui, sur le plan fonctionnel, avec certains matériels militaires. Pour utiliser des cartes conçues initialement pour des usages civils, il se pose alors des problèmes de contraintes d'environnement et des contraintes climatiques plus sévères dans le domaine militaire que dans le domaine civil. Les fabricants de composants électroniques spécifient toujours une température maximale de fonctionnement au-delà de laquelle les caractéristiques du composant ne sont plus garanties. Selon la fonction du composant et son domaine d'application la température maximale varie de +700C pour la gamme industrielle à +1250C pour la gamme militaire. L'utilisation de composants initialement prévus pour fonctionner à une température maximale de 700C et destinés à fonctionner à une température supérieure nécessite un refroidissement local de la carte électronique équipée des composants. Le refroidissement local permet de maintenir une température de fonctionnement compatible avec la température maximale admissible pour une utilisation normale de la carte. II est connu, pour favoriser la dissipation thermique de composants câblés sur une carte de circuit imprimé, d'utiliser un dispositif de transfert de chaleur par conduction placé entre les composants et le capot du boîtier métallique renfermant la carte équipée des composants, le capot étant utilisé en tant que plaque froide dissipatrice. Dans un mode de réalisation connu, un sachet plastifié contenant un liquide refroidisseur du type fluoradiateur est utilisé ; un sachet de ce type est vendu sous le nom commercial de FLUORINERT. Un tel dispositif de dissipation de chaleur est difficile à mettre en oeuvre dans des dispositifs contenant de multiples cartes comme, par exemple, des bacs à cartes équipant des structures en baies. En effet, les cartes sont généralement positionnées verticalement à l'intérieur du bac et l'espace réduit entre cartes ne permet pas d'insérer une plaque froide dissipatrice. D'autre part, du fait de la position verticale des cartes, un dispositif du type sachet refroidisseur, ne serait plus maintenu sur la carte. Enfin, le dispositif de type sachet possède une certaine rigidité et ne s'applique que sur le dessus des composants électriques qui émergent le plus de la carte imprimée. L'interface entre les composants et le sachet n'est pas optimisée. Ainsi certains des composants qui ne sont pas au contact du sachet ne peuvent être refroidis suffisamment pour leur permettre de fonctionner dans les gammes de température spécifiées pour les applications militaires. Ce qui exclut de ces applications les cartes ainsi équipées. Pour résoudre ce problème et permettre l'utilisation de n'importe quelle carte du commerce pour des usages militaires, I'invention prévoit de former sur une carte quelconque équipée de composants un drain thermique rigide, fixé à la carte, épousant au plus près les composants et autorisant ainsi leur refroidissement même pour les températures les plus hautes de la gamme militaire, la carte pouvant être utilisée dans des matériels comportant des bacs à cartes. L'invention a donc pour objet une carte électronique à refroidissement par conduction thermique comportant un circuit imprimé sur lequel des composants électroniques sont fixés sur au moins une des faces du circuit imprimé, associé à un dispositif d'évacuation de la chaleur, caractérisée en ce que - la carte électronique est quelconque, - le dispositif d'évacuation de la chaleur est un drain thermique réalisé dans un matériau rigide et conducteur de chaleur recouvrant le circuit imprimé équipé des composants, la face du drain thermique en regard des composants étant profilée de facon à épouser au plus près le circuit imprimé équipé des composants pour permettre un couplage thermique surfacique entre le drain et les composants , et en ce que le drain thermique est fixé sur la carte par un moyen de couplage isolant électrique et conducteur thermique L'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'une telle carte permettant d'utiliser des cartes électroniques, prévues initialement pour des applications civiles, à des applications militaires. A cet effet, I'invention propose un procédé de réalisation d'une carte électronique à refroidissement par conduction thermique comportant un circuit imprimé sur lequel des composants électroniques sont fixés sur au moins une des faces du circuit imprimé, associé à un dispositif d'évacuation de la chaleur, caractérisé en ce qu'il consiste - à fabriquer un drain thermique rigide dont une face est adaptée pour épouser au plus près la face du circuit imprimé équipée des composants, - à recouvrir la face du circuit imprimé équipée des composants par le drain thermique, et - à fixer mécaniquement le drain thermique sur le circuit imprimé équipé des composants. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en regard des figures annexées qui représentent - la figure la, une vue en coupe de l'assemblage selon l'invention d'un drain thermique avec un circuit imprimé équipé de composants, - la figure 1 b, la vue en coupe de l'assemblage précédent complété d'un matériau assurant l'interface entre le drain et le circuit imprimé équipé de composants, et, - la figure 1c, la vue en coupe de l'assemblage précédent avec le drain, selon l'invention, modifié. - la figure 2, une prise d'empreinte selon l'invention d'une carte électronique, - la figure 3, un premier mode de réalisation du procédé selon l'invention, - la figure 4, un deuxième mode de réalisation du procédé selon l'invention, Dans la description qui suit, les éléments communs à chacune des figures sont identifiés par un même repère. La figure la illustre une vue en coupe d'une carte électronique à refroidissement thermique selon l'invention et comporte un assemblage d'un drain thermique 1 avec un circuit imprimé 2 équipé de composants électroniques 3i. La face 4 du drain thermique 1, en regard des composants 3i, suit exactement la face 5 du circuit imprimé 2 équipée des composants 3i et vient s'ajuster parfaitement sur celle-ci. Les deux faces, 4 et 5, sont séparées par un espace vide 6 de quelques dixièmes de millimètres correspondant par exemple à l'épaisseur d'un film décrit ultérieurement. L'espace 6 est avantageusement utilisé d'une part pour assurer un couplage thermique entre le drain 1 et le circuit imprimé 2 et d'autre part pour assurer un couplage mécanique en fixant le drain 1 sur le circuit imprimé 1 équipé des composants 3i. Comme le montre la vue en- coupe de la figure 1 b, le couplage mécanique et thermique est réalisé par un matériau 7 isolant électrique, bon conducteur thermique et adhésif, par exemple un mastic, une résine, ou une graisse connue sous le nom commercial de GRAISSE THERMAL-COTE, inséré entre la face 4 du drain 1 et la face 5 du circuit imprimé 2 équipée des composants 3i. Le maté riau 7 comble complètement l'espace 6 et assure ainsi un couplage thermique surfacique sans points d'accumulation de chaleur. Le drain thermique 1 ainsi fixé sur le circuit imprimé 2 assure par ailleurs l'étanchéité de la carte électronique, 2 et 3i, notamment vis-à-vis de la vapeur d'eau. Le matériau 7 utilisé pour assurer le couplage thermique et mécanique peut être dissous par un solvant approprié au matériau 7 ou détruit mécaniquement pour permettre le démontage du drain I en cas d'intervention sur les composants électroniques 3i implantés sur le circuit imprimé 2. Comme le montre la vue en coupe de la figure 1c, la face 8 du drain thermique 1 opposée aux composants 3i peut être avantageusement profilée. Elle est par exemple aménagée d'entailles 9i, de type ailettes de radiateur, permettant ainsi d'augmenter l'échange thermique par convection entre le drain thermique 1 et l'air ambiant. La figure 2 illustre un procédé selon l'invention de prise d'empreinte de la face 5 du circuit imprimé 2 et des composants 3i implantés sur le circuit imprimé 2. .Une carte quelconque, 2et 3i, du commerce, constituée du circuit imprimé 2 et des composants 3i implantés sur le circuit imprimé 2, est revêtue provisoirement d'un film 10 de faible épaisseur, par exemple de l'ordre de 0,5mm. Le film 10 est réalisé dans un matériau rigide thermoformable et de préférence antistatique pour prévenir toute décharge électrostatique pouvant détruire certains composants fragiles en contact avec le film 10. Pour déformer le film 10, un exemple de technique connue consiste à ramollir le film 10 réalisé dans un matériau thermoplastique, par exemple un matériau du type Macrolon, PVC, etc..., sous l'action d'une source de chaleur et en même temps, à aspirer le film 10 vers les composants 3i en créant une dépression soit un vide partiel entre le film 10 et le circuit imprimé 2. Le film 10 épouse ainsi au plus près la forme des composants 3i et rejoint par endroit la surface du circuit imprimé 2 dans les espaces les plus larges entre composants 3i. Une fois refroidi, le film 10 conserve la déformation subie par l'opération précédente sous la forme d'une em preinte, correspondant en fait au relief adouci, ou lissé, du relief réel présenté par les composants 3i répartis sur la surface du circuit imprimé 2. A partir de l'empreinte du relief, matérialisée par le film 10, un premier mode de réalisation du procédé selon l'invention, illustré par la figure 3, consiste pour former le drain thermique 1 adapté à la carte, 2 et 3i, dont on a formé l'empreinte, à utiliser un capteur de position, par exemple, un palpeur 11. Le palpeur 1 1 tangente la face supérieure du film 10 suivant un parcours décrivant la surface du film 10 et transmet les informations tridimensionnelles (X-Y-Z) de position à une machine outil programmable 12 sous forme d'un programme d'usinage 13. Le drain thermique 1 est usiné dans un matériau rigide et bon conducteur thermique, par exemple un alliage d'aluminium, et constitue ainsi le "négatif" de la face 5 du circuit imprimé 2 équipé des composants 3i. Dans des applications particulières, comme les missiles ou les torpilles, le point d'équilibre thermique entre le drain thermique et le milieu ambiant n'est pas atteint dans la durée très brève d'utilisation de la carte (utilisation transitoire). Le drain thermique utilisé sert alors de réservoir calorifique. L'aluminium est un matériau à fort pouvoir d'emmagasinage de calories. De plus un drain thermique réalisé dans un matériau à base d'aluminium, peut être aménagé pour recevoir des matériaux à changement de phase solide/solide, tel que l'acétamide, ou liquidelvapeur tel que le méthanol. Ces matériaux, sous forme d'inserts sont placés dans l'épaisseur du drain thermique et permettent ainsi d'augmenter la capacité calorifique du drain thermique. Dans un second mode de réalisation, à partir de l'empreinte rigide du relief, matérialisée par le film 10, une technique s'apparentant à une technique connue dans le domaine des prothèses dentaires consiste à modeler un drain factice, dans un matériau connu, par exemple du plâtre, et à partir de ce modèle à fabriquer un moule, par exemple en deux parties, en coulant dans le moule un matériau approprié aux techniques de moulage possédant les caractéristiques nécessaires pour réaliser un drain thermique 1 selon l'invention. Dans ce mode de réalisation, le film 10 recouvrant la face 5 du circuit imprimé 2 et des composants 3i implantés sur le circuit 2 permet lors du modelage du drain factice d'éviter que le matériau utilisé ne vienne s'infiltrer entre les composants 3i et le circuit imprimé 2, car de ce fait le retrait du drain factice ainsi réalisé après solidification n'est plus possible. Un troisième mode de réalisation d'un drain thermique selon l'invention illustré par la figure 4, consiste à relever directement le profil 14, matérialisé par une ligne en pointillés, de la face 5 présentée par la carte imprimée 2 et les composants 3i pour décrire toute la surface de la face 5 sans passer par l'intermédiaire du film 10. Un capteur de position 15 comporte, par exemple un palpeur destiné à tangenter le profil 14. Il peut être de forme sphérique, du type roulette, etc.... Les dimensions du pal peur 15 sont choisies en fonction de la dimension des composants 3i implantés sur le circuit imprimé 2. Le traitement des informations de position (X-Y-Z) étant ensuite identique à celui du premier mode de réalisation, il ne sera donc pas redécrit. Pour conserver l'espace 6 correspondant, dans les précédents modes de réalisation, à l'épaisseur du film 10 et permettant le couplage mécanique et thermique entre le drain 1 et le circuit imprimé 2 équipé des composants 3i, il suffit de prévoir dans le programme d'usinage 13 un décalage, par exemple de 0,5mm, entre le profil réel 14 relevé par le capteur 15 et le profil à usiner correspondant à la face 4 du drain 1. Le procédé suivant l'invention consiste ensuite à recouvrir le circuit imprimé et les composants 3i implantés sur le circuit 2 par le drain thermique 1 réalisé suivant l'un des modes de réalisation précédents et à fixer mécaniquement le drain 1 sur la carte, 2 et 3i, par l'intermédiaire du matériau 7 comblant l'espace 6 entre le drain 1 et la carte, 2 et 3i, pour assurer le couplage mécanique et thermique entre le drain 1 et la carte, 2 et 3i. L'invention n'est pas limitée à la description précise des modes de réalisation précédents En particulier, tous les matériaux constituant le drain, le film ainsi que l'interface entre le drain et la carte électronique équipée des compo sants, possédant les caractéristiques utiles à l'invention, rentrent dans le cadre de la présente invention. De même, I'invention n'est pas limitée à un circuit imprimé sur une seule face et peut s'étendre également à un circuit imprimé sur les deux faces, la carte comportant alors un drain thermique de part et d'autre du circuit imprimé. REVENDICATIONS 1. Carte électronique à refroidissement par conduction thermique comportant un circuit imprimé (2) sur lequel des composants électroniques (3i) sont fixés sur au moins une des faces du circuit imprimé (2), associé à un dispositif (1) d'évacuation de la chaleur, caractérisée en ce que - la carte électronique (2, 3i) est quelconque, - le dispositif (1) d'évacuation de la chaleur est un drain thermique réalisé dans un matériau rigide et conducteur de chaleur recouvrant le circuit imprimé (2) équipé des composants (3i), la face (4) du drain thermique (1) en regard des composants (3i) étant profilée de façon à épouser au plus près le circuit imprimé (2) équipé des composants (3i) pour permettre un couplage thermique surfacique entre le drain (1) et les composants (3i), et en ce que le drain thermique (1) est fixé sur la carte (2, 3i) par un moyen de couplage isolant électrique et conducteur thermique. .2. Carte électronique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le drain thermique (1) comporte des entailles (9i) aménagées sur la face (8) opposée aux composants (3i) pour augmenter la surface d'échange thermique par convection entre le drain thermique (1) et l'air ambiant. 3. Carte électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisée en ce que le drain thermique (1) comporte un ou des matériaux à changement de phase insérés dans l'épaisseur du drain thermique (1) réalisé dans le matériau rigide et conducteur de chaleur pour augmenter la capacité calorifique du drain thermique (1). 4. Carte électronique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen de couplage comporte un matériau (7) adhésif destructible pour permettre le démontage du drain thermique (1). 5. Carte électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le drain thermique (1) recouvre le circuit imprimé (2) équipé des composants (3i) en laissant libre au moins deux bords de la carte (2, 3i) pour laisser le passage des glissières du bac à cartes. 6. Procédé de réalisation d'une carte électronique à refroidissement par conduction thermique comportant un circuit imprimé (2) sur lequel des composants électroniques (3i) sont fixés sur au moins une des faces du circuit imprimé, associé à un dispositif (1) d'évacuation de la chaleur, caractérisé en ce qu'il consiste - à fabriquer un drain thermique (1) rigide dont une face (4) est adaptée pour épouser au plus près la face (5) du circuit imprimé (2) équipée des composants (3i), - à recouvrir la face (5) du circuit imprimé (2) équipée des composants (3i) par le drain thermique (1), et - à fixer mécaniquement le drain thermique (1) sur le circuit imprimé (2) équipé des composants (3i). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il consiste, pour fabriquer le drain thermique (1 ): - à former une empreinte de la face (5) du circuit imprimé (2) équipée des composants (3i), - à faire suivre l'empreinte par un capteur de position (I 1 ; 15) pour décrire toute sa surface, - à convertir les informations de position (X-Y-Z) issues du capteur (11 ; 15) sous la forme d'un programme d'usinage (13), et - à partir du programme d'usinage (13), à usiner le drain thermique (1) adapté à la carte (2, 3i) par une machine outil programmable (12). 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il consiste, pour fabriquer le drain thermique (1) adapté à la carte (2, 3i) - à former une empreinte de la face (5) du circuit imprimé (2) équipée des composants (3i), - à partir de l'empreinte, à modeler un drain factice permettant de réaliser un moule, et - à partir du moule, à fabriquer le drain thermique (1) adapté à la carte (2, 3i). 9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il consiste, pour fabriquer le drain thermique (1 ): - à faire suivre la face (5) du circuit imprimé (2) équipée des composants (3i) par un capteur de position (11 ; 15) pour décrire toute la surface de la face (5), - à convertir les informations de position (X-Y-Z) issues du capteur (11 ; 15) sous la forme d'un programme d'usinage, et - à partir du programme d'usinage (13), à usiner le drain thermique (1) adapté à la carte (2, 3i) par une machine outil programmable (12). 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'il consiste, pour former l'empreinte - à recouvrir le circuit imprimé (2) équipé des composants (3i) d'un film rigide (10) thermoplastique, et - à déformer le film (10) sous l'effet conjugué de la chaleur et d'une dépression appliquée au film (10) pour obtenir après refroidissement une empreinte rigide de la face (5) du circuit imprime (2) équipée des composants (3i). 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce qu'il consiste, pour fixer mécaniquement le drain (1) sur le circuit imprimé (2) équipé des composants (3i), à insérer un matériau adhésif (7), destructible, entre les faces (4) et (5) correspondantes du drain thermique (1) et de la carte électronique (2, 3i), le matériau (7) étant en outre isolant électrique et conducteur thermique pour assurer un couplage thermique entre le drain (1) et la carte électronique (2, 3i).