Brevet FR2886809A1 — publié le 20061208

DRAIN THERMIQUE POUR CARTE ELECTRONIQUE Le domaine de l'invention est celui de l'évacuation de la chaleur des cartes électroniques en fonctionnement et plus spécifiquement des dispositifs électroniques comportant un drain thermique. Les composants des cartes électroniques dissipent une quantité importante de chaleur, provoquant une augmentation significative de la température des composants et des circuits électroniques associés. Cette élévation de température peut atteindre plusieurs dizaines de degrés. Elle est d'autant plus significative que, pour certaines applications professionnelles, les cartes électroniques sont situées dans un environnement déjà placé à température élevée. C'est le cas pour certaines applications aéronautiques ou de défense. Or, les caractéristiques, la fiabilité et la durée de vie d'un grand nombre de composants électroniques dépendent de façon très importante de la température. II est donc vital pour la sûreté de fonctionnement d'un dispositif électronique que la chaleur soit contrôlée et évacuée dans de bonnes conditions. On sait que le transfert de chaleur peut se produire par: É Rayonnement thermique. Un corps chaud émet naturellement un rayonnement thermique. Cette émission est naturellement insuffisante pour permettre une évacuation efficace de la chaleur; É Convection thermique. Lorsque le corps chaud est en contact avec des fluides gazeux ou liquides en mouvement, une partie de l'énergie thermique est transférée au fluide. Pour que la convection soit efficace, il est préférable que la circulation du fluide soit forcée de façon à optimiser l'échange thermique. Par conséquent, il faut nécessairement des moyens de pompage et d'évacuation du fluide. Par exemple, lorsque le fluide est un gaz, on provoque une ventilation forcée au moyens de ventilateurs; 25 30 É Conduction thermique: elle a lieu entre deux corps à des températures différentes, reliées entre eux par une substance solide, liquide ou gazeuse, dans laquelle l'énergie thermique se propage grâce à des chocs non élastiques entre les molécules. L'évacuation de la chaleur par conduction thermique est préférée lorsque, pour des problèmes de poids, d'encombrement et de coût, on ne dispose pas de la possibilité d'utiliser la convection thermique qui nécessite des moyens particuliers d'extraction et d'évacuation de la chaleur. C'est le mode d'évacuation retenu pour un certain nombre de calculateurs électroniques et notamment de calculateurs embarqués sur aéronefs. Pour réaliser cette évacuation par conduction, on utilise généralement des drains thermiques externes disposés au-dessus des cartes électroniques. La figure 1 illustre ce principe. Une carte électronique 1 comporte des composants 2. Pour évacuer la chaleur dégagée par ces composants, le drain thermique comporte essentiellement une plaque métallique 3 disposée parallèlement au plan de la carte. La carte électronique et la plaque sont montées dans un bâti 10 sur des supports 11. La plaque métallique comporte en regard des composants 2 des surépaisseurs 4. La conductivité thermique est assurée par des plots 5 de pâte thermique disposés entre la plaque métallique 3 et le dessus des composants 2. La pâte thermique comporte des éléments métalliques qui assure la conduction thermique. Elle est connue également sous le terme anglo-saxon dce thermal pad . L'efficacité du transfert de chaleur dépend de certaines caractéristiques de la pâte thermique qui sont: É Sa conductivité thermique; É Son épaisseur; É Son taux de compression. La maîtrise du taux de compression de la pâte thermique est délicate. En effet, il n'est pas possible d'utiliser une forte épaisseur de pâte thermique si l'on souhaite conserver une bonne conductivité de l'ensemble. Si l'on utilise une épaisseur plus faible, les tolérances cumulées des cartes électroniques et de leurs composants font qu'il est très difficile de disposer la juste épaisseur de pâte thermique: É Ou l'épaisseur est trop importante et la pâte peut fluer sur les composants ou sur le circuit électronique, entraînant des pannes ou des 5 court-circuits; É Ou l'épaisseur est trop faible et il peut y avoir création d'une lame d'air entre la pâte et la plaque métallique, entraînant une rupture du pont thermique entre le composant et le drain thermique; De plus, si la pression exercée par la pâte sur le composant est 10 trop forte, il peut y avoir rupture ou dégradation du composant. Il est bien entendu possible, au prix de surcoûts notables, de diminuer les tolérances mécaniques et d'optimiser parfaitement l'épaisseur de pâte thermique. L'objet de l'invention est de permettre de disposer, à tous coups, de la bonne épaisseur de pâte en conservant les tolérances actuelles des cartes électroniques. On peut ainsi garantir une bonne conduction thermique entre le composant et le drain. Plus précisément, l'invention a pour objet un drain thermique pour carte électronique comprenant au moins une plaque conductrice de la chaleur destinée à être disposée substantiellement parallèlement à une carte électronique comportant au moins un composant électronique, ladite plaque comportant en regard du composant de la carte électronique une pièce en matériau conducteur de la chaleur, réglable en translation selon un axe sensiblement perpendiculaire au plan de ladite carte électronique. Avantageusement, la pièce a sensiblement la forme d'un cylindre comportant une face supérieure, une face inférieure et un pourtour comportant un filetage, le pas dudit filetage étant faible devant le diamètre du cylindre, la plaque métallique comportant une ouverture de diamètre et de taraudage identiques. Avantageusement, la face supérieure comporte des ailettes de ventilation. Elles peuvent être des parallélépipèdes rectangle. De plus, la face supérieure peut comporter au moins un organe de serrage. Celui-ci peut être une ailette de ventilation centrale de hauteur plus importante que celle des autres ailettes, de façon à faciliter sa préhension. D'autre part, l'invention concerne également une clé de serrage dynamométrique pour drain thermique ayant les caractéristiques précédentes. Ladite clé est réalisée dans un matériau plastique déformable et comporte une ouverture centrale de forme sensiblement correspondante à celle de l'ailette de ventilation centrale, de façon que l'ailette centrale puisse s'engager sans jeux excessifs dans l'ouverture de la clé. L'invention s'applique notamment à un calculateur électronique caractérisé en ce qu'il comporte au moins un drain thermique selon l'une des revendications précédentes. Enfin, l'invention concerne aussi un procédé d'évacuation de la chaleur d'une carte électronique au moyen d'un drain thermique selon 15 l'invention, le procédé comportant les étapes suivantes: É Mise en place de pâte thermique sur certains composants électroniques de la carte électronique; É Montage de la plaque en matériau conducteur de la chaleur au-dessus de la carte; É Mise en place des pièces cylindriques dans ladite plaque au-dessus des composants; É Vissage desdites pièces cylindriques au moyen de la clé de serrage dynamométrique jusqu'à ce que leurs faces inférieures soit au contact de la pâte thermique; É Serrage des pièces cylindriques jusqu'à atteindre la déformation plastique de l'ouverture centrale de la clé. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non 30 limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: É La figure 1 représente un drain thermique pour carte électronique selon l'art antérieur; É La figure 2 représente un drain thermique selon l'invention; É La figure 3 représente une vue tridimensionnelle de la pièce 35 mobile de la plaque constituant le drain; É La figure 4 représente une étape du procédé de mise en place du drain thermique; É La figure 5 représente une vue de la clé de serrage avant et après serrage. Comme l'on l'a vu, il est très difficile de maîtriser les tolérances mécaniques existant entre la plaque métallique du drain et la pâte thermique qui recouvre le composant électronique. Le coeur de l'invention est de remplacer les surépaisseurs de la plaque métallique par des pièces mécaniques indépendantes et réglables en translation. A titre d'exemple, la figure 2 illustre ce principe. Une carte électronique 1 comporte des composants 2. Pour évacuer la chaleur dégagée par ces composants, le drain thermique selon l'invention comporte essentiellement une plaque métallique 3 disposée parallèlement au plan de la carte. La carte électronique et la carte sont montées dans un bâti 10 sur des supports 11. La plaque métallique comporte, en regard des composants 2, des pièces 6 en matériau conducteur de la chaleur réglables en translation selon un axe sensiblement perpendiculaire au plan de ladite carte électronique. La conductivité thermique est assurée par des plots 5 de pâte thermique disposés entre les pièces 6 en matériau conducteur et le dessus des composants 2. Le réglage en translation des pièces 6 permet de parfaitement ajuster la pression exercée sur la pâte conductrice et d'assurer ainsi une conductivité thermique optimale. La façon la plus simple d'assurer le guidage et le réglage en translation est d'utiliser comme pièce conductrice une vis cylindrique comportant une face supérieure, une face inférieure et un pourtour comportant le filetage, le pas dudit filetage étant faible devant le diamètre du cylindre, la plaque métallique comportant une ouverture de diamètre et de taraudage identiques à ceux de la vis. Typiquement, le diamètre de la vis est de l'ordre de quelques centimètres et son pas de l'ordre du millimètre. On assure ainsi, à la fois une bonne continuité entre la pièce réglable et sa plaque support et également la précision et la finesse du réglage. Pour accroître l'évacuation de la chaleur, il faut, bien entendu, utiliser un matériau bon conducteur de la chaleur comme l'aluminium. On peut également, pour accroître l'efficacité de convexion thermique naturelle, disposer des ailettes 61 de ventilation thermique sur la face supérieure de la vis 6 comme illustré en figure 3. On augmente ainsi la surface d'échange thermique entre la pièce mécanique et l'air environnant. Afin de faciliter l'usinage de ces ailettes, il est plus simple de les réaliser en forme de parallélépipèdes rectangle ou de picots comme illustré en figure 3. A titre d'exemple, les picots peuvent avoir une largeur de 3 millimètres, une longueur de 3 millimètres et une hauteur de 2 millimètres. Pour faciliter le serrage et le réglage de la pression exercée sur la pâte thermique par la pièce mécanique, la face supérieure peut comporter au moins un organe de serrage. Celui-ci peut être une ailette de ventilation centrale de hauteur plus importante que celle des autres ailettes, de façon à faciliter sa préhension. Cette hauteur vaut, à titre d'exemple, entre 4 et millimètres. Dans ce cas, il est intéressant d'utiliser une clé de serrage dynamométrique adaptée à cette pièce. Ladite clé est réalisée dans un matériau plastique déformable et comporte une ouverture centrale 71 de forme sensiblement correspondante à celle de l'ailette de ventilation centrale, de façon que l'ailette centrale puisse s'engager sans jeux excessifs dans l'ouverture de la clé. On trouvera, sur la partie gauche de la figure 5 intitulée CLE AVANT SERRAGE une vue en perspective d'une clé de ce type. Le principe de montage et de serrage au moyen de cette clé est illustré en figure 4. La clé est introduite dans l'ailette de ventilation centrale de la pièce mécanique 3. On tourne la clé comme illustré par la flèche courbée vers la gauche pour faire descendre la pièce 6 jusqu'au contact avec la pâte thermique 5 disposée sur le composant 2, flèche verticale de la figure 4. On continue de serrer de façon à comprimer la pâte thermique. Lorsque la compression souhaitée est atteinte, l'ouverture de la clé se déforme de façon irréversible sous l'action du couple exercé par la pâte thermique sur la clé. Une clé ainsi déformée après serrage est représentée sur la partie droite de la figure 5 intitulée CLE APRES SERRAGE. On ne peut plus serrer davantage, la clé tournant à vide. Il est facile de contrôler le couple nécessaire à la déformation de la clé en jouant, par exemple sur la forme ou les dimensions de l'ouverture de la clé ou encore sur la matière de 15 la clé. Des essais préalables permettent facilement de déterminer si le couple souhaité est atteint avec une forme de clé donnée. La clé ne peut servir qu'une fois. Mais, c'est un composant très simple qui peut être réalisé en grande quantité à très bas coût. En finale, le procédé complet permettant la mise en place efficace d'un drain thermique comporte les étapes suivantes: É Mise en place de pâte thermique sur certains composants électroniques de la carte électronique; É Montage de la plaque en matériau conducteur de la chaleur au-dessus de la carte; É Mise en place des pièces cylindriques dans ladite plaque audessus des composants; É Vissage desdites pièces cylindriques au moyen de la clé de serrage dynamométrique jusqu'à ce que leurs faces inférieures soit au contact de la pâte thermique; É Serrage des pièces cylindriques jusqu'à atteindre la déformation plastique de l'ouverture centrale de la clé. 8 REVENDICATIONS 1. Drain thermique pour carte électronique (1) comprenant au moins une plaque (3) conductrice de la chaleur destinée à être disposée substantiellement parallèlement à une carte électronique (1) comportant au moins un composant électronique (2), caractérisé en ce que ladite plaque comporte en regard du composant de la carte électronique une pièce (6) en matériau conducteur de la chaleur réglable en translation selon un axe sensiblement perpendiculaire au plan de ladite carte électronique. 2. Drain thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce (6) a sensiblement la forme d'un cylindre comportant une face supérieure, une face inférieure et un pourtour comportant un filetage, le pas dudit filetage étant faible devant le diamètre du cylindre, la plaque métallique comportant une ouverture de diamètre et de taraudage identiques. 3. Drain thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que 20 la face supérieure comporte des ailettes de ventilation (61). 4. Drain thermique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les ailettes (61) sont des parallélépipèdes rectangle. 5. Drain thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face supérieure comporte au moins un organe de serrage (62). 6. Drain thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'organe de serrage (62) est une ailette de ventilation centrale de hauteur plus importante que celle des autres ailettes, de façon à faciliter sa préhension. 7. Clé de serrage (7) dynamométrique pour drain thermique selon la revendication 6, caractérisé en ce que la clé est réalisée dans un matériau 35 plastique déformable et comporte une ouverture centrale (71) de forme sensiblement correspondante à celle de l'ailette de ventilation centrale, de façon que l'ailette centrale (62) puisse s'engager sans jeux excessifs dans l'ouverture de la clé. 8. Calculateur électronique caractérisé en ce qu'il comporte au moins un drain thermique selon l'une des revendications là 6. 9. Procédé d'évacuation de la chaleur d'une carte électronique au moyen d'un drain thermique selon la revendication 6, caractérisé en ce que 10 le procédé comporte les étapes suivantes: É Mise en place de pâte thermique sur certains composants électroniques de la carte électronique; É Montage de la plaque en matériau conducteur de la chaleur au-dessus de la carte; É Mise en place des pièces cylindriques dans ladite plaque au- dessus desdits composants; É Vissage desdites pièces cylindriques au moyen d'une clé de serrage dynamométrique selon la revendication 7 jusqu'à ce que leurs faces inférieures soit au contact de la pâte thermique; É Serrage des pièces cylindriques jusqu'à atteindre la déformation plastique de l'ouverture centrale de la clé.