Brevet FR2766967A1 — publié le 19990205

Dispositif de dissipation thermique et/ou protection électromagnétique pour cartes et composants électroniques. La présente invention concerne l'amélioration des conditions de réalisation, fonctionnement et utilisation des cartes et composants électroniques. Elle s'attache plus particulièrement à proposer un type de dispositif, et des modes de réalisation dudit dispositif, destiné à assurer la dissipation thermique et/ou la protection électromagnétique de cartes à circuits et composants électroniques. La réalisation, pour les applications les plus variées et chaque jour plus nombreuses, de cartes électroniques, est de manière croissante, confrontée à un double problème que l'on pourra qualifier d'une manière générale de protection: dissipation thermique d'une part, protection électromagnétique, y compris celle liée à l'illumination électromagnétique nucléaire (I.E.M.N.) d'autre part. L'évolution des cartes électroniques est notamment marquée par un accroissement de la densité des composants qu'elle porte, de leur nombre, et de leur fréquence de fonctionnement. Ces diverses caractéristiques convergent dans le sens d'un renforcement de l'échauffement des composants et des cartes. Ce même effet est fréquemment renforcé par la place de plus en plus souvent réduite qui est dévolue à la partie électronique dans les matériels, notamment portables, qu'elle équipe. La miniaturisation, le zen nomadisme ) > des équipements électroniques accentuent généralement ce phénomène. II en est de même avec l'emploi croissant de composants de conception grand public, de type circuits intégrés à température de jonction faible, dans des équipements professionnels appelés à fonctionner dans des environnements particulièrement contraignants, comme c'est le cas pour certaines applications militaires, à la recherche pétrolière, ou à la traction ferroviaire, par exemple. La nécessité croissante de dissipation thermique est par conséquent devenue une contrainte lourde, à laquelle des réponses appropriées doivent impérativement être apportées, pour un fonctionnement fiable des matériels électroniques. La multiplication de ces équipements, d'utilisations tant professionnelles que grand public, a par ailleurs contribué récemment à mettre en évidence leur sensibilité aux interférences électromagnétiques, et leur propre comportement comme source d'émission de telles perturbations. Enfin, il a été montré que les explosions thermonucléaires avaient pour effet, et pouvaient même avoir pour objectif, à travers le rayonnement émis (l.E.M.N.), de perturber, voire de paralyser totalement le fonctionnement des équipements électroniques de tous types, y compris ceux chargés des communications, transmissions de données, des opérations de détection, protection, Ces éléments ont conduit à porter une attention particulière aux problèmes de protection électromagnétique et à rechercher des réponses adaptées. Diverses normes ont été récemment élaborées dans ce domaine dans les principaux pays utilisateurs. Divers types de dispositifs tentant de répondre aux problèmes de dissipation thermique et/ou de protection électromagnétique ont été étudiés au cours des dernières années, appliquées aux cartes à circuits imprimés et aux composants électroniques implantés sur celles-ci. Pour ce qui est de la dissipation thermique, dans le principe, trois types de refroidissement des composants peuvent être mis en oeuvre la convection, la conduction et la radiation. La convection traditionnelle fait appel à la mise en circulation d'un fluide, généralement sous la forme d'une ventilation d'air, forcée ou naturelle, vers l'extérieur du dispositif. La ventilation forcée implique l'utilisation d'un ventilateur, dispositif souvent trop encombrant et consommateur d'énergie, la ventilation naturelle étant habituellement d'une moindre efficacité. Dans tous les cas, la convection traditionnelle demeure incompatible avec la réalisation d'équipements électroniques devant demeurer hermétiquement clos. La conduction, appliquée au refroidissement de composants électroniques, amène à mettre en oeuvre des sortes de drains thermiques (notamment métalliques) qui assurent un contact mécanique entre les composants et l'enveloppe (elle-même notamment métallique) des dispositifs électroniques, laquelle doit être en mesure d'assurer la dissipation thermique des calories conduites des composants jusqu'à elle, vers l'extérieur. Le dispositif de conduction thermique doit être conçu de manière à ne pas provoquer de ruptures de l'isolation électrique indispensable entre les divers composants, sources d'élévation de température, et leur enceinte. On peut également faire appel à des drains thermiques, ou radiateurs, qui assurent le transfert thermique par différents types combinés de diffusion, y compris la radiation. Ainsi, l'utilisation d'ailettes d'aluminium noir assurant une dissipation thermique par conduction, convection et radiation est-elle bien connue. L'emploi de ces radiateurs ne répond toutefois pas aux contraintes de masse, volume et de protection électromagnétique, auxquelles prétend répondre l'invention. Un dispositif de dissipation thermique par conduction, intéressant dans son principe, a été décrit dans la demande de brevet français 96.10405, sous la forme d'un réalisation, en trois couches systématiquement, intégrant un drain thermique du type mousse métallique ou tissu métallique. La mise en oeuvre en est complexe, le procédé de fabrication est lent, la réalisation obtenue est d'une masse importante, peu compatible en particulier avec des applications portables. Le procédé décrit consiste à déposer sur la carte électronique une première couche d'une résine thermiquement conductrice mais électriquement isolante pour recouvrir au moins les pattes de connexion des composants. Le drain thermique métallique est ensuite mis en contact avec cette première couche (celle-ci ayant durci) et relié à une masse thermique, afin de drainer vers l'extérieur les calories produites par les composants de la carte, le drain étant constitué par une structure métallique souple et poreuse (mousse ou tissu). Enfin, la troisième strate est appliquée : il s'agit d'une seconde couche de résine qui devra traverser et remplir le drain métallique et adhérer à la première couche de résine, pour maintenir l'ensemble en place, après polymérisation. Ce dispositif, de réalisation complexe, peut dans une variante, présenter également des propriétés de blindage électromagnétique, lorsque le drain métallique est disposé de manière à envelopper entièrement la carte, à la manière d'une chaussette . Intéressante dans son principe, la réalisation selon le document 96.10405, apparaît d'une mise en oeuvre compliquée et lente. Le dispositif décrit est de surcroît pénalisé par une masse et un volume peu compatibles avec un nombre croissant d'applications portables, légères et miniaturisées. La présente invention a pour objet un type de dispositif, et des modes variés de réalisation dudit dispositif, destinés, à travers un procédé simple et rapide de mise en oeuvre, à assurer, moyennant un poids et un encombrement limités, la dissipation thermique et/ou la protection électromagnétique de cartes électroniques, avec un haut degré d'efficacité. Selon l'invention, la dissipation thermique et/ou la protection électromagnétique, sont assurées par l'intermédiaire d'une structure métallique à haute porosité ou d'une association de telles structures, mises au contact direct des composants de la carte, ou des plus calorigènes et/ou thermiquement ou électromagnétiquement fragiles de celle-ci. Le mode de réalisation est conçu de telle manière que lesdites structures métalliques assurent la dissipation thermique par conduction, convection et radiation, soit grâce à leurs seules propriétés, soit en combinaison avec un élément radiant additionnel permettant d'accroître la dissipation thermique par radiation et convection. II est également entendu que le dispositif selon l'invention s'applique à des composants et/ou à des cartes électroniques qui sont utilisés dans l'enceinte de matériels lesquels peuvent eux-mêmes intégrer des équipements destinés à favoriser l'évacuation des calories, notamment selon des architectures connues de l'homme de l'art (ventilateurs, oules d'aération, ...). Ladite structure métallique à haute porosité peut être notamment de trois grands types principaux: mousse alvéolaire totalement ou partiellement réticulée; non tissé ou feutre; tissé, ce dernier type incluant notamment les tissés dits tridimensionnels, et en particulier ceux constitués par l'assemblage de deux faces tissées parallèles, pontées entre elles par des fils ou fibres sensiblement perpendiculaires aux deux faces externes. Les mousses de cuivre, par exemple, pour des volumes et une masse limités, offrent des coefficients d'échange thermique au moins deux fois supérieurs à celui d'une plaque du cuivre, soit au minimum 12W/m2.K. S'il peut dans certains cas apparaître utile ou prudent de revêtir les parties métalliques de la carte et/ou des composants (contacts électriques) par une résine isolante électriquement, la présente invention autorise une grande simplification de mise en oeuvre du dispositif dissipateur et protecteur, par rapport à celui décrit dans le document 96.10405 précédemment cité. Cette simplification de réalisation et mise en oeuvre, aux avantages multiples, tant techniques, qu'économiques et pratiques, tient à un matriçage effectué au sein de la ou des structures métalliques drainantes à haute porosité utilisées. Ce matriçage a pour fonction d'adapter de manière précise le profil de l'une des faces desdites structures drainantes au profil de la face de la carte électronique sur laquelle sera plaquée la structure métallique poreuse selon l'invention. II consiste à imprimer au sein de cette structure drainante, sur l'une de ses faces, I'empreinte de la face de la carte électronique couverte de l'ensemble de ses composants. Cette empreinte peut être obtenue par contre-moulage de la carte équipée de ses composants, en vue de l'obtention d'une matrice pouvant être constituée d'un métal facilement moulable ou d'une résine dure (ne nécessitant pas de moyens d'usinage particuliers). Le matriçage permet de réaliser un ajustage parfait de la structure drainante à la carte porteuse de ses composants. La figure 1 représente une telle réalisation, où (a) est la structure drainante, (b) la carte électronique et (c) un composant parmi d'autres, fixé sur la carte. La structure (a) a subi un matriçage d'adaptation aux contours des composants équipant la carte Plusieurs variantes de mise en oeuvre peuvent apparaître à ce stade, et être utilisées seules ou en combinaisons: avec des composants de nouvelles générations, présentant leurs connexions avec la carte, sous leur fond même, le matriçage pourra être réalisé de telle sorte que la structure drainante enrobe le compo sant de manière très ajustée > > , entrant en contact non seulement avec sa surface supérieure mais également sur chacun de ses flancs. La surface de contact s'en trouvera accrue, améliorant de ce fait le pouvoir de dissipation thermique de la structure drainante. La figure 2 présente sant (c) sur sa carte (b); avec des composants de conception plus traditionnelle, ayant des pattes de contact électrique sur leurs flancs, le matriçage devra préserver un espace libre autour du composant, afin que la structure drainante n'entre pas en contact avec les pattes du composant. Comme on l'a indiqué plus haut, on pourra prendre la précaution supplémentaire de revêtir ou noyer les pattes de connexion dans une résine électriquement isolante. La figure 3 montre la mise en oeuvre de l'invention selon cette variante, où (a) est la structure drainante, (b) la carte électronique, (c) le composant, et (d) la résine électriquement isolante enrobant les pattes de connexion du composant; on pourra également revêtir l'ensemble des circuits de la carte d'une telle résine afin que la structure drainante matricée puisse s'appuyer non seulement sur le dos des composants, mais également sur l'ensemble ou des parties de la carte elle-même. En figure 4 est représentée une telle mise en oeuvre de l'invention, avec (a) la structure drainante, (b) la carte électronique, (c) les composants, et (d) la couche de résine électriquement isolante; . on pourra assurer le maintien en place de la structure drainante notamment au moyen de clips enserrant carte et structure drainante ou de bagues ou sangles de serrage. Ces mode de fixation peuvent rendre aisé le démontage du dispositif et/ou le remplacement de compo sants défectueux ou obsolètes, ou encore l'ajout de composants complémentaires; lorsque le démontage du dispositif ne présente pas d'intérêt, le maintien en place de la structure drainante peut être assuré par collage sur certains au moins des composants et/ou sur certains au moins des points de la carte; il est possible de ( structure drainante et les composants à refroidir (ou les plus calorifères ou sensibles à la chaleur d'entre eux) par divers moyens, entrant dans le cadre de l'invention: * avec une structure drainante de type mousse alvéolaire, le matriçage, au regard des composants, peut être effectué de telle sorte qu'après mise en place et lors de la fixation de la structure (par clips, brides, sangles, ou collage), on force le contact mécanique intime entre la structure et tout ou partie des composants par écrasement partiel ou local de la structure au regard desdits composants. La figure 5 propose un type de matriçage de la structure drainante (a) au regard du composant (c) de la carte électronique (b), qui permettra de forcer le contact mécanique par compression entre structure (a) et surface externe du composant (c), lors de la fixation de la structure (a) sur la carte (b); * le matriçage par lui-même provoque au regard des composants, donc des zones d'écrasement, une densification des fils, fibres ou mailles de la structure, et donc un accroissement de la surface réelle de contact entre composant électronique et structure drainante; * il est possible d'associer deux types de structures drainantes, notamment au regard des composants, ou de certains d'entre eux, de manière à appliquer sur la surface de contact de ceux-ci une structure à forte densité de mailles ou de fils ou fibres. Ainsi, il est par exemple possible de revêtir les parties matricées d'une mousse alvéolaire d'une feuille de tissé ou feutre métallique, dont les fils ou fibres seront denses et essentiellement parallèles à la ou aux faces de contact du composant. II est également possible de combiner des mousses alvéolaires de dimensions de pores variées, en utilisant celles aux pores les plus fins au contact direct des composants à refroidir. La figure 6 présente une telle association d'une structure drainante principale (a), d'une structure drainante secondaire (a'), ici placée face au dos d'un composant (c) d'une carte électronique (b); * il est naturellement avantageux, sans sortir du cadre de la présente invention, de combiner entre elles plusieurs de ces variantes, destinées à améliorer le contact mécanique entre surfaces de composants et structure drainante, par exemple en forçant le contact par écra sement, appliqué entre le composant et une mousse alvéolaire, à une couche intercalaire de feutre métallique dense, plus facile à comprimer qu'une structure de type alvéolaire. Les fils ou fibres de la feuille de feutre sont alors pressés entre elles et contre la ou les surfaces du composant, et en partie pénétrés par les mailles superficielles de la mousse directement en contact avec la feuille de feutre; . dans les cas où la carte accueille des composants sur ses deux faces, il est bien évidemment possible, dans le cadre de l'invention, d'assurer la dissipation thermique sur chacune d'elles par la mise en place de deux structures drainantes spécifiques. La figure 7 montre deux structures drainantes (a) placées de part et d'autre de la carte électronique (b) autour des composants (c). Toutes les variantes de mise en oeuvre précédemment décrites peuvent alors trouver à s'appliquer à l'une et/ou l'autre des deux faces de la carte. Le dispositif selon l'invention présente l'originalité et l'avantage de fonctionner en tant que dissipateur de chaleur, à la fois par conduction, par convection, et par radiation. Le fonctionnement par conduction est de compréhension évidente, et découle largement des descriptions précédentes. Les fonctions de convection et radiation sont rendues accessibles par le fait que la structure drainante, contrairement à celle mise en oeuvre selon le document 96.10405, n'est pas remplie par une matière solide obstruant sa porosité. Celle-ci, qui peut varier entre environ 80% et 98%, laisse à l'air chauffé en surface des composants de grandes possibilités de mouvements convectifs et turbulents vers la face externe de la structure. II est de surcroît possible, dans le cadre de la présente invention, de favoriser la convection au sein de la structure drainante, et ce de diverses manières, en créant ce que l'on pourra appeler un effet cheminée )): la face intérieure de la structure drainante (placée au regard de la carte et de ses composants) est compactée par matriçage, contrairement à la face extérieure (opposée). De ce fait, la porosité est moindre au contact de sources de chaleur, et supérieure, dans la structure drainante, sur la face opposée, ce qui favorise les mouvements de convection vers l'extérieur, et l'évacuation des calories; . la face intérieure de la structure drainante peut être réalisée sous la forme d'une sous-couche relativement dense (par exemple feutre ou tissé tridimensionnel), la face externe étant formée par une couche superficielle de porosité plus élevée (par exemple mousse); . il est également possible de réaliser la structure drainante par juxtaposition de mousses, par exemple de deux ou trois types, présentant des dimensions de pores de plus en plus grandes au fur et à mesure que I'on s'éloigne du contact des composants à refroidir; dans le même esprit, il est possible d'utiliser une mousse alvéolaire à porosité et dimensions de pores variables de manière continue d'une face à l'autre, ou une mousse dont la métallisation par électrolyse aura été effectuée dans des conditions favorisant le gradient d'épaisseur du dépôt métallique à travers l'épaisseur de la mousse, de telle sorte que les mailles soient de section régulièrement décroissante d'une face vers l'autre. Une telle mousse, par sa porosité croissante orientée vers la face externe, favorisera la convection de l'air chauffé au contact des composants électroniques; par ailleurs, la surface du matériau métallique poreux peut être noircie, par un procédé approprié connu de l'homme de l'art (par exemple formation d'un oxyde de cuivre noir, dépôt de nickel noir, ...) afin de favoriser l'effet radiant de la structure. Dans une mise en oeuvre particulière de l'invention, la structure drainante pourra également ne pas revêtir l'ensemble de la carte électronique, mais être seulement appliquée au dos des composants que l'on souhaite particulièrement refroidir, en constituant alors leur radiateur propre, collé sur leur dos. Ainsi qu'on l'a indiqué plus haut, une structure drainante peut être appliquée sur chaque face d'une carte, comportant des composants électroniques sur chacune d'elles. Les deux structures drainantes entourant la carte peuvent alors être fixées par des clips ou rivets. On peut, pour les réunir, utiliser des formes, par exemple en (( U , qui enserrent les bords des structures drainantes sur les trois côtés de la carte qui ne comportent pas les fiches de connexion de celle-ci. Ces trois côtés étant réunis de manière continue par ces pièces de serrage, et celles-ci étant choisies électriquement conductrices, notamment métalliques, il est possible de réaliser de manière simple, économique, rapide, et éventuellement démontable, une enveloppe électriquement continue qui constitue une protection électromagnétique autour de la carte. Les propriétés de protection électromagnétique des structures tridimensionnelles métalliques à haute porosité, de types mousse, feutre ou tissé, peuvent en effet présenter une grande efficacité, dans une large gamme de fréquences. En figure 8 est proposé - par simplification du dessin, sur le seul côté de la carte, opposé à celui portant les fiches de connexion de celle-ci - un exemple de forme de serrage, un clip (e), maintenant mécaniquement et reliant électriquement et électromagnétiquement les deux structures drainantes (a) placées de part et d'autre de la carte (b) sur les faces de laquelle sont positionnés des composants tel que (c). Tant pour leur fonction de dissipation thermique que pour celle de protection électromagnétique, les structures drainantes à haute porosité peuvent bénéficier, dans le cadre de la présente invention, d ' une optimisation à travers le choix de la nature du métal utilisé, pour tout ou partie de leur constitution. II apparaît à ce titre particulièrement avantageux de retenir le cuivre ou des alliages à base de cuivre ou contenant du cuivre, qui offrent des performances élevées. D'autres matériaux peuvent cependant être utilisés, tels que notamment l'aluminium, le nickel ..., ou des alliages contenant ces métaux. Naturellement, et comme il résulte d'ailleurs largement de ce qui précède, I'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui ont été décrits à titre d'exemples. L'invention ne se limite pas aux exemples qui ont été donnés, mais en embrasse toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Dispositif de dissipation thermique par conduction, convection et radiation, pour composants électroniques, caractérisé en ce qu'il est constitué par une structure métallique à haute porosité, appliqué sur le dos, ou sur le dos et un ou plusieurs côtés, ou partie des côtés, du composant, sans être mis en contact électrique avec les pattes de connexion du composant. 2. Dispositif de dissipation thermique par conduction, convection et radiation, pour cartes électroniques, caractérisé en ce qu'il est constitué par une structure métallique ou métallisée à haute porosité, matricée de manière à s'appliquer au moins sur le dos des composants électroniques, de la carte, que l'on souhaite refroidir, en épousant de manière plus ou moins précise le profil de tout ou partie de la carte porteuse de composants. 3. Dispositif de dissipation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la structure métallique à haute porosité est de l'un au moins des types mousse alvéolaire, non tissé ou feutre, ou tissé, les structures tissées incluant les structures tridimensionnelles réalisées par pontage de deux faces tissées, la structure métallique pouvant être réalisée par combinaison de deux ou plusieurs structures élémentaires du même type ou de différents types, et ce sur tout ou partie de sa surface de contact avec la carte et/ou avec tout ou partie des composants. 4. Dispositif de dissipation thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on évite tout contact électrique entre le dispositif et les parties électriquement actives de la carte et de ses composants, soit en protégeant par dépôt ou enrobage avec un produit électriquement isolant pratiqué sur lesdites parties électriquement actives ou sur le dispositif lui-même, soit un évitant tout contact physique du dispositif avec lesdites parties électriquement actives, par un matriçage adapté du dispositif. 5. Dispositif de dissipation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on favorise un effet de dissipation thermique par convection au sein du dispositif en y créant un gradient de porosité, celle-ci augmentant au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la surface de contact avec la carte et/ou avec le ou les composants à refroidir. 6. Dispositif de dissipation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, et la revendication 5, caractérisé en ce que le gradient de porosité est obtenu soit par juxtaposition de structures métalliques de même type mais de porosités différentes, soit par juxtaposition de structures métalliques de types différents et de porosités différentes, soit par réalisation d'une structure métallique unique mais présentant en son sein un gradient de porosité. 7. Dispositif de dissipation thermique selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la structure drainante poreuse est matricée, au regard de tout ou partie des composants qu'elle recouvre, et fixée, de manière à permettre une compression superficielle de la structure au contact dudit ou desdits composants, afin de réaliser un contact mécanique intime entre eux. 8. Dispositif de dissipation thermique selon l'une quelconque des revendications 2 à 7 caractérisé en ce qu'il est fixé à la carte électronique de manière à constituer autour de celle-ci une enveloppe électriquement continue, constituant une protection électromagnétique de ladite carte et des composants qu'elle porte. 9. Dispositif de dissipation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 et 8, caractérisé en ce que la structure drainante poreuse est constituée en tout ou partie de cuivre ou d'un alliage comprenant du cuivre. 10. Dispositif de dissipation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 et 8, caractérisé en ce que la structure drainante poreuse est constituée en tout ou partie d'aluminium ou d'un alliage comprenant de l'aluminium.