Brevet FR2774850A1 — publié le 19990813

La présente invention concerne le refroidissement des modules électroniques à semi-conducteurs et, en particulier, des modules amplificateurs pour émetteurs travaillant en hyperfréquences. Ces modules sont, le plus souvent, enfichables et comportent un ou plusieurs circuits électroniques dont, généralement, au moins un circuit amplificateur ; lorsque le module peut être changé alors même que l'ensemble dont il fait partie continue à fonctionner, il est appelé module enfichable à chaud. La présente invention concerne également les émetteurs équipés d'au moins un de ces modules. Dans les émetteurs travaillant en hyperfréquences plusieurs modules sont nécessaires pour fournir la puissance d'émission désirée. Pour fonctionner de manière optimale les jonctions des semi-conducteurs doivent être maintenues en dessous d'une certaine température sinon leur comportement se dégrade ; un refroidissement performant est donc nécessaire. Quand un refroidissement par air, soit en convection naturelle soit en convection forcée, est insuffisant, il reste le refroidissement par liquide avec, le plus souvent, de l'eau comme liquide. En effet le refroidissement par liquide permet d'évacuer localement un très grand nombre de calories si la circulation du liquide s'effectue à proximité immédiate des circuits à refroidir. II est connu de réaliser des modules où les circuits électroniques sont fixés sur une plaque de refroidissement à l'intérieur de laquelle circule du liquide. La mise en oeuvre d'une telle plaque est malcommode car elle nécessite de nombreux points de serrage entre la plaque et les circuits afin d'assurer un contact thermique plan convenable; il en résulte que les circuits sont difficiles voire très difficiles à séparer de la plaque de refroidissement et qu'il est donc préférable que l'ensemble plaque-circuits soit démontable. Pour avoir la possibilité de changer les modules sans arrêter le fonctionnement de l'ensemble dont ils font partie, il est alors nécessaire de prévoir une auto-obturation des conduits d'amenée et de retour de liquide aux modules. En outre, le fait qu'aux connecteurs électriques soient associés, dans les modules, des connecteurs hydrauliques, entraîne des risques de fuites et augmente la précision avec laquelle le module doit être fabriqué pour qu'il puisse être enfiché. La présente invention a pour but d'éviter ou, pour le moins, de réduire les inconvénients précités. Ceci est obtenu en séparant le module en un premier composant, enfichable, avec les circuits à refroidir et en un second composant, fixe, avec dispositif de refroidissement par circulation de liquide, les formes des deux composants étant conçues pour assurer une bonne conduction thermique entre les circuits et le liquide quand le premier composant est enfiché au-dessus du second. Selon l'invention il est proposé un module électronique comportant des circuits électroniques à semi-conducteurs et un dispositif de refroidissement par circulation d'un liquide, caractérisé par une unité enfichable qui comporte, outre les circuits électroniques, un bloc métallique recouvert extérieurement par les circuits électroniques et percé d'un évidement tronconique, et par le fait que le dispositif de refroidissement constitue un élément destiné à être monté à demeure dans un matériel électronique et présente une embase tronconique, cette embase tronconique renfermant une canalisation pour la circulation du liquide et constituant la partie mâle d'une jonction mécanique dont le logement dans la partie femelle est constitué par l'évidement. La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des figures s'y rapportant qui représentent - les figure 1 et 2, des vues schématiques d'un module électronique selon l'invention, - les figures 3 et 4, des vues plus détaillées mais partielles, de deux modules selon l'invention, - les figures 5, 6a et 6b, des schémas relatifs au module selon la figure 4. Sur les différentes figures les éléments correspondants sont désignés par les mêmes références. La figure 1 est une vue, schématique, en perspective, d'un module électronique. Ce module comporte deux parties : un dispositif de refroidissement Ml et une unité enfichable M2. Le dispositif de refroidissement M1 constitue un élément destiné à être monté à demeure dans un matériel électronique. II comporte une embase tronconique, C, avec, à l'intérieur, une canalisation en forme de serpentin, F, dont la représentation, réduite à une ligne en traits interrompus, indique le trajet ; au niveau de la grande base de l'embase tronconique cette canalisation est raccordée à deux tubes : un tube Te d'entrée de liquide caloriporteur et un tube Ts d'évacuation de ce liquide après qu'il ait parcouru la canalisation. Une plaquette de guidage H1, faite d'une petite plaque percée d'un trou, constitue une excroissance latérale à l'embase tronconique C, à la périphérie de la grande base de cette embase tronconique. L'embase tronconique C et la plaquette H1 sont réalisées en un même métal bon conducteur de la chaleur. L'unité enfichable M2 comporte un bloc métallique, D, en forme de parallélépipède droit percé d'un évidement E et surmonté d'un doigt de guidage H2. L'évidement E, de forme tronconique, a sa plus grande base qui constitue une ouverture dans une des faces du bloc D. L'unité enfichable M2 comporte des circuits électroniques, non représentés sur la figure 1, qui sont plaqués sur les faces du bloc D autres que la face dans laquelle débouche l'évidement E. Les formes tronconiques de l'embase et de l'évidement ont le même profil, ce qui permet de réaliser une jonction mécanique avec un bon contact entre les surfaces en regard de l'embase C et de l'évidement E quand l'unité M2, pièce femelle de la jonction, est enfichée sur le dispositif de refroidissement M1, pièce mâle. Sur la figure 1 le module est représenté avec les axes longitudinaux de l'embase et de l'évidement confondus selon une même droite XX. De plus l'unité enfichable a été tournée autour de cet axe de telle manière que son doigt de guidage H2 soit dirigé vers le trou percé dans la plaquette de guidage H1. II suffit, dans ces conditions, de faire subir à l'unité enfichable M2 une translation parallèle à XX et dirigée vers le dispositif M1 pour que l'évidement E vienne coiffer l'embase C. II est à noter qu'une variante de réalisation consiste à avoir le doigt de guidage qui fait partie du dispositif de refroidissement et la plaquette qui fait partie de l'unité enfichable. La figure 2 est une vue schématique, de côté, qui montre le module peu avant que l'unité M2 soit venue s'enficher complètement sur le dispositif Mi. Sur cet figure, comme sur la figure 1, les circuits électroniques portés par l'unité M2 n'ont pas été représentés ; de plus la canalisation en serpentin n'a pas été indiquée. Par contre sur cette figure ont été représentés un trou borgne taraudé V1 et une vis, V2, destinée à pénétrer dans le trou V1; le trou borgne est percé dans l'embase C du dispositif de refroidissement M1, selon l'axe longitudinal repéré par la droite XX, et ce trou borgne débouche par la petite base de l'embase tronconique ; la vis V2, dont la tête est située à l'extérieur du bloc métallique D, pénètre dans ce bloc par un trou lisse et débouche dans l'évidement E; I'axe de la vis est confondu avec l'axe longitudinal de l'évidement E repéré par la droite XX. Telle qu'elle est représentée sur la figure 2 I'unité enfichable M2 n'est pas totalement "empalée" sur l'embase tronconique M1: il reste à rapprocher l'unité M2 de l'embase M1 d'un peu plus de 10% de la valeur de la profondeur de l'évidement E ; la vis V2 pénètre ensuite dans le trou V1, sous réserve que la tête de vis soit tournée pour assurer le vissage. II est à noter que la vis V2 présente, au voisinage de sa tête, une gorge en cercle, Vc. Une plaquette Cv, faite de deux demiplaquettes vissées dans l'embase D, empêche la vis V2 de se déplacer selon l'axe XX, la transformant en vis imperdable ; pour cela les deux demi-plaquettes comportent une encoche en demi-cercle et sont accolées pour que les encoches forment un cercle dont le pourtour se trouve à l'intérieur de la gorge de la vis V2. Ainsi la vis V2 permet non seulement de réaliser en la vissant, un bon contact entre le dispositif de refroidissement M1 et l'unité M2 mais également, en la dévissant, de désolidariser l'unité M2 du dispositif M1. C'est le bon contact entre troncs de cônes avec d'un côté le dispositif de refroidissement M1 et de l'autre l'unité M2, qui assure un drainage efficace des calories de l'unité M2 vers le liquide caloriporteur qui circule dans le dispositif M1. Ce contact peut encore être amélioré si les surfaces destinées à venir en contact entre le dispositif M1 et l'unité M2 sont graissées avec une graisse à bonne conduction thermique. Dans l'exemple décrit à l'aide des figures 1 et 2 les parois tronconiques sont à directrice circulaire ; d'autres parois tronconiques sont utilisables sous réserve bien entendu que la partie mâle formée par le dispositif de refroidissement et la partie femelle formée par l'unité enfichable aient le même profil pour leurs surfaces en regard après enfichage. La figure 3 est une vue plus détaillée que les figures précédentes; elle correspond à l'unité enfichable d'un module amplificateur à transistors de puissance pour émetteur travaillant en ondes métriques, c'est-à-dire en VHF selon le sigle anglais couramment employé. Sur la figure 3, comme sur la figure suivante, les composants électroniques disposés sur les circuits imprimés n'ont pas été représentés pour simplifier le dessin. II s'agit d'une unité enfichable de 15 X 15 X 35 cm en dimensions hors tout, travaillant dans la gamme 170-230 MHz et capable de fournir 750 W en puissance de crête ; elle est destinée à un émetteur. Cette unité enfichable comporte, outre un bloc métallique D avec un évidement E et un doigt de guidage H2, comme décrit à l'aide des figures 1 et 2, une alimentation en courant continu J, deux coupleurs à 3 dB à 900, Ka, Kb, deux amplificateurs Aa, Ab, un circuit de gestion G, diverses fiches I, S, Gi, J1, J2, des conducteurs tels que Li et une vis, non visible sur la figure ; cette vis correspond à la vis V2 selon la figure 2. L'alimentation J est fixée sur la face arrière du bloc D, c'est-àdire sur la face opposée à la face dans laquelle débouche l'évidement E elle reçoit une tension continue d'entrée à partir des deux fiches J1, J2 qui sont des fiches bananes disposées, comme les autres fiches, sur la face avant du bloc D. L'alimentation J est toute entière contenue dans une sorte de cadre dont le pourtour extérieur épouse le pourtour extérieur de la face arrière du bloc D et dont le pourtour intérieur est suffisamment grand pour que la tête de la vis V2, décrite à l'aide de la figure 2, soit facilement accessible. Sur la face supérieure du bloc D, c'est-à-dire sur celle qui porte le doigt de guidage H2, est fixé l'amplificateur Aa et sur la face inférieure l'amplificateur Ab tandis que les coupleurs Ka, Kb sont fixés sur une face verticale et que le circuit G pour la gestion des amplificateurs et de l'alimentation est fixé sur l'autre face verticale. Le signal à amplifier par le module selon la figure 3 arrive, via la fiche I et le conducteur Li, sur l'un des accès de la première paire d'accès conjugués du coupleur Ka ; le second accès de cette première paire est relié à une charge adaptée disposée sur le même support que le coupleur Ka et non représentée. Les deux amplificateurs Aa et Ab ont leurs entrées de signal respectivement reliées aux deux accès de la seconde paire d'accès conjugués du coupleur Ka. Les sorties de signal de ces deux amplificateurs sont respectivement reliées aux deux accès de la première paire d'accès conjugués du coupleur Kb. Les accès de la seconde paire d'accès du coupleur Kb sont respectivement reliés à la fiche S et à une charge adaptée disposée sur le même support que le coupleur Kb et non représentée. La fiche Gi est reliée au circuit de gestion G par des conducteurs. La figure 4 correspond à la figure 3 mais dans le cas d'une unité enfichable d'un module amplificateur à transistors de puissance pour émetteur travaillant en ondes décimétriques, c'est-à-dire en UHF selon le sigle anglais couramment employé. II s'agit d'une unité enfichable de 15 x 15 x 35 cm en dimensions hors tout, travaillant dans la gamme 470 - 860 MHz et capable de fournir 750 W en puissance de crête ; elle est destinée à un émetteur. Cette unité enfichable comporte, outre un bloc métallique D avec un évidement E et un doigt de guidage H2, comme décrit à l'aide des figures 1 et 2, une alimentation en courant continu J, un préamplificateur P, trois circuit de gestion G1 à G3, six coupleurs à 3 dB à 900, K1 à K6, quatre amplificateurs Al à A4, diverses fiches I, S, Gi, J1, J2, des conducteurs tels que Li et une vis non visible sur la figure 4; là encore cette vis correspond à la vis V2 selon la figure 2. La figure 5 est un schéma électrique qui représente les connexions entre le préamplificateur P, les coupleurs K1 à K6 et les amplificateurs Al à A4. Le préamplificateur P reçoit, via la fiche I et le conducteur Li, un signal à amplifier ; il a sa sortie reliée à l'un des accès de la première paire d'accès conjugués du coupleur K1. Les signaux de sortie des accès de la seconde paire d'accès conjugués du coupleur K1 sont délivrés respectivement aux coupleurs K2 et K3 sur un accès de leur première paire d'accès conjugués. Les quatre amplificateurs Al à A4 ont leurs entrées respectivement reliées aux quatre accès des deux secondes paires d'accès conjugués relatifs aux coupleurs K2, K3 et leurs sorties respectivement reliées aux quatre accès des deux premières paires d'accès conjugués relatifs aux coupleurs K4, K5. Un des accès de la seconde paire d'accès conjugués du coupleur K4 est relié à l'un des accès de la première paire d'accès conjugués du coupleur K6 tandis qu'un des accès de la seconde paire d'accès conjugués du coupleur K5 est relié à l'autre accès de la première paire d'accès conjugués du coupleur K6. L'un des accès de la seconde paire d'accès conjugués du coupleur K6 est relié, via un conducteur, à la fiche S. Sur la figure 5 les coupleurs K1 à K6 ont chacun un de leurs quatre accès qui n'est pas connecté, en réalité sur chacun de ces accès est branchée une charge adaptée ; ces six charges, également non représentées sur la figure 4, sont disposées respectivement aux mêmes endroits que les coupleurs K1 à K6. Le choix des connexions réalisées avec les coupleurs K1 à K6 est déterminé, de manière classique, pour réaliser un partage du signal d'entrée suivi, après amplification, d'une recombinaison en phase des quatre signaux amplifiés. L'alimentation J selon la figure 4 est disposée de la même façon que l'alimentation J selon la figure 3. Sensiblement à mi-distance de ses faces avant et arrière d'une part et au voisinage de sa face avant d'autre part le bloc D est entouré par des sortes de cadres à section transversale rectangulaire. Ces cadres sont représentés respectivement sur les figures 6a, 6b dans des vues en coupe schématique. Le cadre situé à mi-distance des faces avant et arrière du bloc D et représenté seul sur la figure 6a, renferme les coupleurs K1 à K3 qui occupent chacun un quart de la longueur du cadre, le quatrième quart étant vide ; de la même façon le cadre situé au voisinage de la face avant du bloc D et représenté seul sur la figure 6b, renferme les coupleurs K4 à K6 qui occupent chacun un quart de la longueur du cadre, le quatrième quart étant vide. Sur les figures 6a, 6b les volumes occupés par les coupleurs directifs K1 à K6 ont seuls été représentés. Ces coupleurs sont, dans l'exemple décrit, constitués de manière classique de deux lignes quart d'onde mises en vis-à-vis sur toute leur longueur ; un diélectrique assure le maintien des lignes et l'écartement entre les lignes ; le positionnement des lignes à l'intérieur du cadre est assuré par des rondelles en diélectrique. Entre l'alimentation J et le cadre avec les coupleurs K1 à K3 se trouvent disposés le préamplificateur P sur la face supérieure du bloc D et les circuits de gestion G1 à G3 sur les trois autres faces. Ces circuits de gestion assurent la gestion de l'alimentation J du préamplificateur P et des amplificateurs Al à A4. La fiche Gi est reliée par des conducteurs aux circuits de gestion G1, G2, G3. Lors de la traversée du cadre qui contient les coupleurs K1 à K3 ces conducteurs en provenance de la fiche Gi se divisent en trois pour aller respectivement vers les trois circuits de gestion. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits mais concerne toute réalisation d'un module électronique à semi-conducteurs où le refroidissement par liquide se fait grâce à un dispositif de refroidissement fixe, en tronc de cône, où les circuits à refroidir sont montés sur un support enfichable qui présente un évidement de forme tronconique ayant le même profil que le tronc de cône du dispositif de refroidissement et où le support, quand il est enfiché, a la paroi de son évidement en contact avec le dispositif de refroidissement. En particulier en phase terminale du rapprochement entre l'unité enfichable et l'embase, le guidage peut être effectué avec d'autres moyens que ceux qui consistent à faire pénétrer un doigt de guidage dans le trou d'une plaquette de guidage. C'est ainsi que ce guidage peut être obtenu grâce à un ensemble rainure-clavette avec la rainure creusée dans la paroi tronconique de l'évidement et la clavette en saillie sur la paroi tronconique du dispositif de refroidissement ou l'inverse. La rainure et la clavette peuvent être disposées selon un plan passant par l'axe longitudinal correspondant à l'axe XX sur les figures 1 et 2. II s'agit dans les deux cas de moyens de guidage qui sont spécifiquement conçus pour faciliter le positionnement de l'unité enfichable. Mais des moyens de guidage spécifiques ne sont pas indispensables. En effet le guidage en phase terminale peut être obtenu en positionnant les fiches de l'unité enfichable en face des fiches fixes correspondantes ; ces fiches fixes, non représentées sur les figures 1 et 2, sont montées à demeure dans le matériel électronique qui comporte le dispositif de refroidissement. Ce sont des fiches disposées autour du dispositif de refroidissement ; elles permettent la connexion de l'unité enfichable dans le matériel électronique considéré. Le système de blocage du mobile, au lieu d'être constitué par un ensemble de type "vis-écrou", comme décrit à l'aide de la figure 2, peut être constitué par un ensemble de type "poignée quart de tour". II s'agit dans ces deux cas de systèmes de blocage spécifiquement conçus pour le blocage du module. Mais il est envisageable que le module ne comporte pas de système de blocage spécifique, car le blocage résultant du contact entre les deux surfaces tronconiques et des connexions entre les fiches peut être suffisant pour certaines applications. De même les formes tronconiques peuvent être des formes tronconiques obliques et/ou avoir une directrice différente d'un cercle. REVENDICATIONS 1. Module électronique comportant des circuits électroniques à semi-conducteurs et un dispositif de refroidissement par circulation d'un liquide, caractérisé par une unité enfichable (M2) qui comporte, outre les circuits électroniques, un bloc métallique (D) recouvert extérieurement par les circuits électroniques et percé d'un évidement tronconique (E), et par le fait que le dispositif de refroidissement (M1) constitue un élément destiné à être monté à demeure dans un matériel électronique et présente une embase tronconique (C), cette embase tronconique renfermant une canalisation (F) pour la circulation du liquide et constituant la partie mâle d'une jonction mécanique dont le logement dans la partie femelle est constitué par l'évidement (E). 2. Module selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc métallique (D) est un parallélépipède droit avec une face avant et avec l'évidement tronconique (E) qui débouche dans la face avant et en ce que les circuits électroniques (J, G, Ka, Kb, Aa, Ab ; J, Gl-G3, P, K1-K6, A1-A4) sont disposés sur les faces du parallélépipède autres que la face avant. 3. Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de guidage spécifiques (H1, H2) pour faciliter la jonction entre l'évidement et l'embase. 4. Module selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de guidage sont constitués par un doigt de guidage (H2) et par une plaquette (H1) percée d'un trou, le trou étant destiné à être pénétré par le doigt, le doigt et la plaquette faisant partie, I'un de l'unité enfichable (M2) et l'autre du dispositif de refroidissement (M1). 5. Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de blocage spécifiques (V1, V2,Cv) pour bloquer l'unité enfichable contre la dispositif de refroidissement. 6. Module selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de blocage spécifiques comportent une vis imperdable (V2, Cr) et un trou taraudé (V1), la vis imperdable traversant le bloc métallique (D) et débouchant dans l'évidement (E) et le trou taraudé étant percé dans l'embase (C). 7. Emetteur, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un module selon l'une des revendications précédentes.