Brevet FR2898462A1 — publié le 20070914

DRAIN THERMIQUE POUR CARTE ELECTRONIQUE COMPORTANT DES ELEMENTS EN GRAPHITE. 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. Ainsi, une puce électronique de moins de un centimètre carré peut dissiper plus de 10 watts de puissance, 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 de certaines applications aéronautiques. Or, les caractéristiques, la fiabilité et la durée de vie d'un grand nombre de composants électroniques sont intimement liées à la température. Il est donc vital pour la sûreté de fonctionnement d'un dispositif électronique que la chaleur soit contrôlée et évacuée dans de bonnes conditions et de façon reproductible. On sait que le transfert de chaleur peut se produire par : • Rayonnement thermique. Un corps chaud émet naturellement un rayonnement thermique. Cette émission est naturellement insuffisante pour permettre une évacuation efficace de la chaleur ; • 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 moyen de ventilateurs ; • 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. Le brevet EP 1243169 intitulé module électronique à haut pouvoir de refroidissement décrit ce type de dispositif illustré en figure 1. Une carte électronique 1 comporte des composants 2. Généralement, comme représenté en figure 1, ces composants comportent une puce centrale 20 de petites dimensions qui constitue la principale source d'émission thermique. 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. Elle est connue également sous le terme anglo-saxon de thermal pad . L'efficacité du transfert de chaleur dépend de certaines caractéristiques de la pâte thermique qui sont : • Sa conductivité thermique ; • Son épaisseur ; • Son taux de compression. 3 L'utilisation de pâte thermique présente plusieurs inconvénients liés d'une part à sa médiocre conductivité et d'autre part, aux tolérances cumulées des cartes électroniques et de leurs composants qui permettent difficilement de disposer la juste épaisseur de pâte thermique et d'obtenir la bonne compression : • Ou l'épaisseur est trop importante et la pâte peut fluer sur les composants ou sur le circuit électronique, entraînant des pannes ou des court-circuits ; • 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 trop forte, il peut y avoir rupture ou dégradation du composant, certaines 15 puces des composants électroniques étant particulièrement fragiles. L'objet de l'invention est d'améliorer sensiblement les performances des drains thermiques en utilisant des pièces en graphite hautement conductrices de la chaleur. Plusieurs modes de réalisation d'un 20 drain selon l'invention permettent de simplifier sensiblement les contraintes industrielles liées aux tolérances mécaniques de l'ensemble carte électronique-drain et aux problèmes de montage du drain. Plus précisément, l'invention a pour objet un drain thermique pour 25 carte électronique comprenant au moins une plaque conductrice de la chaleur disposée substantiellement parallèlement à une carte électronique comportant au moins un composant électronique dont la partie inférieure est en contact avec ladite carte électronique, caractérisé en ce que ladite plaque comporte une pièce en graphite dont la partie inférieure est en contact 30 thermique avec la partie supérieure du composant. Avantageusement, une lame élastique souple conductrice de la chaleur est disposée entre la partie supérieure du composant et la partie inférieure de la pièce en graphite, ladite pièce en graphite pouvant être liée à la plaque conductrice au moyen d'attaches élastiques de type lames à 35 ressort. Avantageusement, une couche de pâte thermique est disposée entre la partie supérieure de la pièce en graphite et la plaque conductrice. Avantageusement, une pièce métallique élastique peut également être disposée entre la partie supérieure de la pièce en graphite et la plaque conductrice, ladite pièce métallique pouvant avoir des dimensions voisines de celles du composant, ladite pièce métallique pouvant également être liée à la carte électronique. Avantageusement, une couche de pâte thermique est disposée entre ladite pièce métallique et la plaque conductrice et la pièce métallique 10 peut être un alliage de cuivre et de béryllium. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce ;aux figures annexées parmi lesquelles : 15 • La figure 1 représente une vue en coupe d'un drain thermique selon l'art antérieur ; • La figure 2 représente une vue en coupe d'une première variante de réalisation d'un drain thermique selon l'invention ; • La figure 3 représente une vue en coupe d'une seconde 20 variante de réalisation d'un drain thermique selon l'invention ; • La figure 4 représente une vue en coupe d'une troisième variante de réalisation d'un drain thermique selon l'invention ; Le drain thermique selon l'invention comporte essentiellement une 25 pièce en graphite dont la partie inférieure est en contact thermique avec la partie supérieure du composant électronique à refroidir. II existe plusieurs modes de réalisation possibles. La figure 2 représente un premier exemple de réalisation du drain. Dans ce cas, l'ensemble carte électronique ù drain comporte 30 successivement : • La carte électronique 1 ; • Un composant électronique 2 comportant éventuellement une puce 20 ; • Une pièce en graphite 6 ; 35 • Une plaque conductrice de la chaleur 3. Classiquement, la pièce en graphite a sensiblement la forme d'un parallélépipède rectangle, son épaisseur est comprise entre 2 à 4 millimètres et ses autres dimensions sont de l'ordre de un à plusieurs centimètres. La plaque conductrice 3 peut être reliée à la carte électronique 1 comme indiqué sur la figure 2. Pour assurer un bon contact thermique entre le composant 2 et la pièce en graphite 6, la pièce en graphite est montée dans la plaque conductrice au moyen de lames ressort 7 de façon à compenser les tolérances mécaniques existant entre la carte électronique et le drain, la pièce en graphite exerçant une légère pression sur le composant, les puces en silicium étant généralement fragiles. On peut encore améliorer ce contact en interposant entre le composant et la pièce en graphite une lame 8 élastique souple conductrice de la chaleur et de faible épaisseur. Cette pièce fait office d'interface thermique. Son épaisseur est de quelques dixièmes de millimètre. Elle peut être réalisée par exemple dans un simili carbone souple ou dans un matériau à changement de phase. La figure 3 représente un second exemple de réalisation du drain. Dans ce cas, l'ensemble carte électronique ù drain comporte successivement : • La carte électronique 1 ; • Un composant électronique 2 comportant éventuellement une puce ; • Une pièce en graphite 6 ; • Une épaisseur de pâte thermique 5 ; • Une plaque conductrice de la chaleur 3. Comme précédemment, on peut interposer entre le composant et la pièce en graphite une lame 8 élastique souple conductrice de la chaleur et de faible épaisseur. Cette solution permet d'améliorer: • la tenue du drain aux environnements vibratoires sévères auxquels sont soumis, par exemple, les calculateurs électroniques embarqués sur aéronefs en conditions de vol. • l'étanchéité entre l'extérieur du drain et les composants de la carte électronique, le composant étant protégé par la plaque conductrice 3. 25 30 35 La figure 4 représente un troisième exemple de réalisation du drain. Dans ce cas, l'ensemble carte électronique ù drain comporte successivement : • La carte électronique 1 ; • Un composant électronique 2 comportant éventuellement une puce ; • Une pièce en graphite 6 ; • Une pièce métallique 9 ; • Une épaisseur de pâte thermique 5 ; • Une plaque conductrice de la chaleur 3. Cette disposition a plusieurs avantages. La pièce métallique 9 peut être reliée comme la plaque 15 conductrice 3 à Na carte électronique et ainsi contribuée à l'évacuation de la chaleur. Elle peut être de dimensions équivalentes à celles du composant et assurer le maintien de la pièce en graphite au-dessus du composant. En effet, si la pièce en graphite n'est maintenue au-dessus du composant que 20 par la plaque conductrice, il est possible qu'au cours de l'opération de montage de cette dernière sur la carte électronique, la pièce en graphite, n'étant pas encore maintenue, bouge. Dans ce cas, le contact thermique est dégradé. II est difficile, voire impossible de s'en rendre compte, la pièce en graphite étant masquée par la plaque conductrice. On évite ce problème en 25 interposant une pièce métallique de dimensions équivalentes à celles du composant et en la fixant sur la carte électronique. On est ainsi assuré de la bonne position de la pièce en graphite au-dessus du composant. REVENDICATIONS 1. Drain thermique pour carte électronique comprenant au moins une plaque (3) conductrice de la chaleur disposée substantiellement parallèlement à une carte électronique (1) comportant au moins un composant électronique (2) dont la partie inférieure est en contact avec ladite carte électronique, caractérisé en ce que ladite plaque comporte une pièce en graphite (6) dont la partie inférieure est en contact thermique avec la partie supérieure dudit composant. 2. Drain thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une lame (8) élastique souple conductrice de la chaleur est disposée entre la partie supérieure du composant (2) et la partie inférieure de la pièce en graphite (6). 3. Drain thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que 15 la pièce en graphite (6) est liée à la plaque conductrice (3) au moyen d'attaches (7) élastiques de type lames à ressort. 4. Drain thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une couche (5) de pâte thermique est disposée entre la partie supérieure 20 de la pièce en graphite (6) et la plaque conductrice (3). 5. Drain thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une pièce métallique (9) élastique est disposée entre la partie supérieure de la pièce en graphite (6) et la plaque conductrice (3). 6. Drain thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce ladite pièce métallique (9) a des dimensions voisines de celles du composant (2). 30 7. Drain thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce ladite pièce métallique (9) est fixée sur la carte électronique (1). 25 5 8. Drain thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une couche (5) de pâte thermique est disposée entre la pièce métallique (9) et la plaque conductrice. 9. Drain thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce la pièce métallique (9) est un alliage de cuivre et de béryllium.