Brevet FR2934749A1 — publié le 20100205

Dispositif de blindage électromagnétique et de dissipation de chaleur dégagée par un composant électronique et circuit électronique correspondant. 1. Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est celui des circuits électroniques et plus particulièrement des circuits comprenant des composants électroniques de puissance. Plus précisément, l'invention concerne les techniques de blindage et de dissipation de chaleur dégagée par de tels composants. L'invention trouve notamment des applications dans le domaine des radiocommunications, où les dispositifs de radiocommunication mettent en oeuvre des amplificateurs de puissance qui dégagent des chaleurs importantes. Ainsi, l'invention s'applique notamment, mais non exclusivement, aux amplificateurs de puissance utilisés par les dispositifs de radiocommunication de troisième génération (3G). 2. Arrière-plan technologique On discute ci-après les inconvénients de l'art antérieur à travers le cas particulier des amplificateurs de puissance utilisés par les dispositifs de radiocommunication, tels que par exemple les radiotéléphones ou les PDA (� Personal Digital Assistant � en anglais). Lors de la conception d'un dispositif de radiocommunication, on cherche notamment à concilier au moins certains des objectifs suivants : - sécurité du dispositif et notamment contrôle de la compatibilité électromagnétique (ou � CEM �) de l'amplificateur de puissance. Par compatibilité électromagnétique, on entend, selon une définition communément admise, l'aptitude d'un matériel ou d'un système à fonctionner dans son environnement électromagnétique de façon satisfaisante et sans produire lui-même de perturbations électromagnétiques intolérables pour tout ce qui se trouve dans cet environnement ; - efficacité du contrôle thermique, la température de l'amplificateur de 30 puissance devant être la plus faible possible, de façon à augmenter la tenue en température et la durée de vie du dispositif ; - compacité du dispositif, la surface de circuit imprimé utilisé par chacun des composants du dispositif devant être la plus réduite possible ; - simplicité et faible coût de la fabrication. La figure 1 illustre un circuit électronique 100 d'un dispositif de radiocommunication de deuxième génération (2G). Le circuit 100 comprend un blindage 11, qui peut prendre la forme d'une gamelle métallique recouvrant entièrement la face avant 1 du circuit imprimé 12 sur lequel sont implantés les différents composants (par exemple, le module électronique de radiocommunication, le ou les amplificateurs de puissance, etc.). Selon l'art antérieur, un tel blindage 11 est essentiellement destiné à éviter que l'énergie rayonnée par le ou les amplificateurs de puissance ne sorte du dispositif (sous forme d'harmoniques véhiculés par rayonnement électromagnétique), et ne vienne perturber les autres blocs fonctionnels du dispositif, ou d'autres équipements avoisinants. Les dispositifs de radiocommunication de deuxième génération (2G) utilisent généralement des amplificateurs de puissance non linéaires à rendement élevé. La figure 2 est une coupe schématique partielle du circuit électronique 100 de la figure 1. Dans cet exemple, l'amplificateur de puissance 200 est monté sur la face arrière 2 du circuit imprimé 12. L'amplificateur de puissance 200 comprend des moyens d'amplification 21 encapsulés dans un boîtier 22 réalisé en matière plastique moulée. Le boîtier 22 comprend une semelle métallique 23 comprenant une première face destinée à recevoir les moyens d'amplification 21 et une seconde face destinée à être solidarisée à la face arrière 2 du circuit imprimé 12. De façon classique, le boîtier 22 de l'amplificateur 200 (amplificateur de puissance non linéaire à rendement élevé) permet de dissiper à lui seul une grande partie de la chaleur dégagée par les moyens d'amplification 21. Cette chaleur Cl est donc rayonnée côté face arrière 2 du circuit imprimé 12. Comme illustré sur la figure 3, il est possible de mettre en oeuvre un drain thermique 31 pour obtenir une meilleure dissipation thermique. En effet, le drain thermique 31 permet de collecter une partie de la chaleur dégagée par les moyens d'amplification 21, via la semelle métallique 23, puis d'acheminer et de rayonner cette chaleur collectée C2 côté face avant 1 du circuit imprimé 12. Dans l'exemple illustré, le drain thermique 31 comprend une base métallique 311 destinée à être solidarisée à la semelle métallique 23, et deux bras métalliques 312 et 313 s'étendant perpendiculairement à la base 311 et prévus pour venir s'engager dans le circuit imprimé 12. Chacun des bras métalliques 312 et 313 traverse la face arrière 2 du circuit imprimé 12 et débouche sur la face avant 1 du circuit imprimé 12. Ainsi, la base métallique 311 permet de collecter une partie de la chaleur dégagée par les moyens d'amplification 21 et les bras métalliques 312 et 313 permettent d'évacuer cette chaleur collectée C2 côté face avant 1 du circuit imprimé 12, via la partie cuivrée de la face avant 1 du circuit imprimé 12. Les dispositifs de radiocommunication de troisième génération (3G) utilisent généralement des amplificateurs de puissance linéaire à faible rendement. Actuellement, on applique les techniques classiques (décrites ci-dessus en référence aux figures 1 à 3) de dissipation de chaleur des amplificateurs de puissance 2G aux amplificateurs de puissance 3G. Les inventeurs ont constaté que les techniques actuelles précitées ne sont pas adaptées aux amplificateurs de puissance 3G, du fait que l'accroissement de la température avec la puissance de sortie des amplificateurs de puissance 2G est éloigné de celui des amplificateurs de puissance 3G. En d'autres termes, les techniques actuelles précitées ne permettent pas de dissiper suffisamment et rapidement la chaleur dégagée par les amplificateurs de puissance 3G. Par ailleurs, bien que les drains thermiques améliorent la dissipation thermique, en évacuant côté face avant du circuit imprimé une partie de la chaleur produite par l'amplificateur de puissance, il existe cependant un risque d'effet de serre. En effet, le blindage empêche l'évacuation de la chaleur conduite par les drains thermiques vers l'extérieur du circuit imprimé (c'est-à-dire hors du blindage). Cette chaleur C2 se trouve donc confinée dans la zone définie entre le blindage et la face avant du circuit imprimé. Il existe donc un besoin d'optimisation du contrôle thermique des amplificateurs de puissance 3G, notamment pour maximiser la tenue en 5 température et la durée de vie du dispositif de radiocommunication. 3. Objectifs de l'invention L'invention, dans au moins un mode de réalisation, a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients de l'état de la technique. Plus précisément, l'un des objectifs de la présente invention, dans au 10 moins un mode de réalisation, est de fournir une technique de dissipation de chaleur qui soit efficace et simple à mettre en oeuvre. Un objectif complémentaire de l'invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, est de fournir une telle technique qui supprime, ou tout le moins limite, les effets de serre causés par le blindage. 15 L'invention a également pour objectif, dans au moins un mode de réalisation, de fournir une telle technique qui ne conduise pas à une augmentation de la surface du circuit imprimé. Un autre objectif de l'invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, est de proposer une telle technique qui soit notamment bien adaptée 20 aux amplificateurs de puissance utilisés dans les dispositifs de radiocommunication de troisième génération (3G). Au moins un mode de réalisation de l'invention a également pour objectif de fournir une telle technique qui soit peu coûteuse et compatible avec tous les composants électroniques dégageant de la chaleur. 25 4. Exposé de l'invention Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé un dispositif de blindage électromagnétique et de dissipation de chaleur dégagée par un composant électronique, ledit composant comprenant un boîtier prévu pour être solidarisé à une première face d'un circuit imprimé, dit face arrière, au moyen 30 d'un drain thermique, ledit drain thermique traversant la face arrière du circuit imprimé et débouchant sur une deuxième face du circuit imprimé, dite face avant. Selon l'invention, le dispositif comprend une structure métallique ou métallisée montée sur la face avant du circuit imprimé et définissant une enceinte de blindage électromagnétique, ladite structure métallique comprenant une première ouverture d'évacuation de chaleur s'étendant sensiblement en regard dudit drain thermique. Le dispositif comprend au moins un connecteur thermique dont une première extrémité est solidarisée à ladite structure métallique et dont une seconde extrémité est solidarisée audit drain thermique et/ou à la face avant du circuit imprimé au voisinage dudit drain thermique. Ainsi, l'invention propose une structure assurant à la fois la fonction de � blindage � et la fonction de � radiateur thermique �. La structure de l'invention permet d'évacuer vers l'extérieur du circuit imprimé la chaleur dégagée au niveau du drain thermique du composant. Plus précisément, la chaleur est évacuée par convection et par radiation. En effet, la structure de l'invention comprend une ouverture d'évacuation d'air chaud facilitant les échanges d'air entre la face avant du circuit imprimé et l'extérieur du circuit imprimé. Dans un mode de réalisation préférentiel, l'ouverture s'étend en regard du drain thermique. Bien entendu, dans un autre mode de réalisation, il est possible d'envisager que l'ouverture ne soit pas complètement en face du drain thermique. Ainsi, une partie de la chaleur transmise par le drain thermique à la partie cuivrée de la face avant du circuit imprimé est dissipée à travers l'ouverture par convection naturelle. Par ailleurs, la structure de l'invention comprend un ou plusieurs connecteurs formant liaison thermique entre le drain thermique du composant et la structure. Le ou les connecteurs de l'invention permettent donc de collecter une partie de la chaleur dégagée par le drain thermique et de l'acheminer vers la structure qui se charge ensuite de la dissiper vers l'extérieur du circuit imprimé. Ainsi, l'invention propose d'utiliser tout ou partie de la surface de la structure pour évacuer par radiation et convection la chaleur du drain thermique. Comme on le verra par la suite, certains connecteurs peuvent être confondus avec les parois de la structure. L'invention permet ainsi d'améliorer le refroidissement du composant électronique, et donc sa tenue en température et sa durée de vie. Avantageusement, le dispositif comprend un élément formant canal d'évacuation de chaleur depuis ledit drain thermique vers ladite première ouverture. Ainsi, l'invention prévoit un système de guidage de la chaleur dégagée par le drain thermique vers l'ouverture. L'élément formant canal d'évacuation permet 5 donc de maximiser le phénomène de convection. De façon avantageuse, ledit élément formant canal d'évacuation comprend ledit connecteur ou au moins un d'une pluralité de connecteurs. Dans un mode de réalisation particulier, le connecteur est un tube dont une première extrémité est prévue pour venir s'engager dans l'ouverture et dont une 10 seconde extrémité est solidarisée au drain thermique. Dans un autre mode de réalisation particulier, on réparti un ensemble de connecteurs autour du drain thermique, chaque connecteur formant une partie du canal d'évacuation. Avantageusement, chaque connecteur est réalisé dans un matériau 15 métallique. Les connecteurs possèdent une conductivité thermique élevée. On obtient ainsi une liaison thermique efficace entre le drain thermique du composant et la structure. Selon un aspect avantageux de l'invention, ladite structure comprend au 20 moins une deuxième ouverture située au voisinage de ladite première ouverture. Ainsi, l'invention propose de maximiser le refroidissement du composant. En effet, les deuxièmes ouvertures permettent non seulement d'augmenter le potentiel de radiation de la structure, mais également son potentiel de convection du fait que les deuxièmes ouvertures peuvent communiquer entre elles et avec la 25 première ouverture. Avantageusement, le composant est un amplificateur de puissance. Ainsi, l'invention est notamment bien adaptée aux amplificateurs de puissance utilisés par les dispositifs de radiocommunication 2G ou 3G. Dans un autre mode de réalisation, l'invention concerne un circuit 30 électronique comprenant un dispositif de blindage électromagnétique et de dissipation de chaleur tel que décrit ci-dessus. 5. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1, déjà commentée en relation avec l'art antérieur, présente un circuit électronique d'un dispositif de radiocommunication ; - la figure 2, également commentée en relation avec l'art antérieur, présente une coupe schématique partielle du circuit électronique de la figure 1 ; - la figure 3, aussi commentée en relation avec l'art antérieur, schématise un drain thermique utilisé par l'amplificateur de la figure 2 ; - la figure 4 illustre un circuit électronique comprenant un dispositif de blindage électromagnétique et de dissipation de chaleur selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; - la figure 5 présente une coupe schématique partielle du circuit électronique de la figure 4 ; - les figures 6a et 6b illustrent un premier mode de réalisation du dispositif de blindage électromagnétique et de dissipation de chaleur de l'invention ; - les figures 7a et 7b illustrent un deuxième mode de réalisation du dispositif de blindage électromagnétique et de dissipation de chaleur de l'invention ; et - les figures 8a et 8b illustrent un troisième mode de réalisation du dispositif de blindage électromagnétique et de dissipation de chaleur de l'invention. 6. Description détaillée Le principe général de l'invention repose sur l'utilisation du blindage d'un circuit électronique pour dissiper la chaleur dégagée par un ou plusieurs composants électroniques du circuit. Comme on le notera, sur toutes les figures du présent document, les éléments identiques sont désignés par une même référence numérique. Par souci de simplification de la description, on se limitera, dans toute la suite de ce document, à décrire le cas particulier d'un schéma de montage où le composant électronique, par exemple un amplificateur de puissance 2G ou 3G, est monté au voisinage de l'une des extrémités du circuit imprimé. L'Homme du Métier étendra sans difficulté cet enseignement à tout autre schéma de montage (par exemple, un ou plusieurs amplificateurs de puissance montés au centre du circuit imprimé). La figure 4 illustre un circuit électronique 400 comprenant un circuit imprimé 500 sur lequel est monté un dispositif 600 de blindage électromagnétique et de dissipation de chaleur selon l'invention. Le dispositif 600 de l'invention comprend une structure métallique 61 montée sur la face avant 51 du circuit imprimé 500 et définissant une enceinte blindée. Dans un autre mode de réalisation, la structure 61 est constituée par un alliage à conductivité thermique élevée. La structure métallique 61 comprend une plaque métallique 611 formant toit de l'enceinte blindée et des parois métalliques 612a et 612b destinées à être solidarisées au circuit imprimé 500. Les parois métalliques sont, par exemple, soudées au circuit imprimé 500. La plaque métallique 611 comprend une ouverture 613 (aussi appelée par la suite première ouverture d'évacuation de chaleur) ouvrant entièrement sur le drain thermique 72 de l'amplificateur de puissance 71. Dans un autre mode de réalisation, l'ouverture 613 peut s'ouvrir sur une partie du drain thermique 72. Dans le mode de réalisation illustré, l'ouverture 613 présente une forme rectangulaire. Dans un autre mode de réalisation, il est possible d'envisager une ouverture de forme carrée, circulaire, triangulaire, elliptique ou bien encore en forme de haricot ou d'étoile. Comme on le verra en détail par la suite, la fente permet d'évacuer par convection la chaleur dégagée par le drain thermique 72 vers l'extérieur du circuit imprimé 500 (c'est-à-dire hors de la structure métallique 61). Comme illustré, le dispositif 600 de l'invention comprend des premier 614, deuxième 615, troisième 616 et quatrième 617 connecteurs thermiques. Les connecteurs sont réalisés dans un matériau métallique à faible résistance thermique. Ils participent donc au blindage électromagnétique du circuit imprimé 500. Chaque connecteur comprend une première extrémité El solidarisée à la plaque métallique 611 et une seconde extrémité E2 solidarisée (par exemple au moyen d'une soudure) à la face avant 51 du circuit imprimé 500 au voisinage du drain thermique 72. Comme on le verra en détail par la suite, les connecteurs forment des ponts thermiques entre le drain thermique 72 et la plaque métallique 611. L'invention permet donc d'utiliser la surface de la plaque métallique 611 pour évacuer par radiation la chaleur dégagée par le drain thermique 72 vers l'extérieur du circuit imprimé 500 (c'est-à-dire hors de la structure métallique 61). On note que ce phénomène de radiation peut être davantage accentué si la seconde extrémité E2 de chaque connecteur est directement solidarisée au drain thermique 72. Dans l'exemple illustré, le premier connecteur thermique 614 est confondu avec une portion de la paroi 612b de la structure métallique 61. Ce premier connecteur 614 permet ainsi d'obtenir une évacuation rapide et efficace de la chaleur dégagée par le drain thermique 72, via la plaque métallique 611. La figure 5 est une coupe schématique partielle du circuit électronique 400 de la figure 4. Dans cet exemple de réalisation, l'amplificateur de puissance 71 est monté sur la face arrière 52 du circuit imprimé 500. L'amplificateur de puissance 71 comprend des moyens d'amplification 711 encapsulés dans un boîtier 712 réalisé en matière plastique moulée. Le boîtier 712 comprend une semelle métallique 713 comprenant une première face destinée à recevoir les moyens d'amplification 711 et une seconde face destinée à être solidarisée au drain thermique 72. De façon classique, le boîtier 712 de l'amplificateur 71 permet de dissiper une partie de la chaleur dégagée par les moyens d'amplification 711. Cette chaleur Cl est donc rayonnée côté face arrière 52 du circuit imprimé 500. Comme illustré, le drain thermique 72 traverse la face arrière 52 du circuit imprimé 500 et débouche sur la face avant 51 du circuit imprimé 500. De façon classique, le drain thermique 72 permet de collecter une partie de la chaleur dégagée par les moyens d'amplification 711, via la semelle métallique 713. Selon l'invention, la chaleur dégagée par le drain thermique 72 est évacuée par convection et par radiation. En effet, une partie de la chaleur C3 dégagée par le drain thermique 72 est évacuée à travers l'ouverture 613 par convection naturelle. On note que les connecteurs thermiques 614, 615, 616 et 617 définissent un canal d'évacuation 800 permettant de guider la chaleur C3 vers l'ouverture 613. Ce canal d'évacuation 800 permet ainsi de maximiser le phénomène de convection. Les connecteurs thermiques 614, 615, 616 et 617 permettent de collecter une partie de la chaleur C4 dégagée par le drain thermique 72, puis de l'acheminer vers la plaque métallique 611 qui se charge ensuite de la rayonner. On note que les connecteurs permettent de rayonner eux-mêmes une partie de la chaleur C5 dégagée par le drain thermique 72. Les figures 6a et 6b illustrent un premier mode de réalisation du dispositif 600 de blindage électromagnétique et de dissipation de chaleur de l'invention. La figure 6a est une vue en perspective de la face avant du dispositif 600 de l'invention (c'est-à-dire la face côté air ambiant) et la figure 6b une vue en perspective de la face arrière du dispositif 600 de l'invention (c'est-à-dire la face côté circuit imprimé). Dans ce premier mode de réalisation, le dispositif 600 de l'invention est réalisé en un seul bloc. Les parois métalliques 612a et 612b et les connecteurs thermiques 614, 615, 616 et 617 sont obtenus par des opérations de pliage de la plaque métallique 611. Dans un autre mode de réalisation, les parois et les connecteurs thermiques peuvent être des éléments distincts et indépendants de la plaque métallique 611. Dans ce cas, ces éléments peuvent, par exemple, être soudés ou visés à la plaque métallique 611 pour former la structure métallique 61 de l'invention. Les figures 7a (face avant) et 7b (face arrière) illustrent un deuxième mode de réalisation du dispositif 600 de blindage électromagnétique et de dissipation de chaleur de l'invention. Dans ce deuxième mode de réalisation, le dispositif 600 de l'invention est réalisé en deux blocs. Plus précisément, le dispositif 600 comprend une ceinture 901 comprenant les parois métalliques 612a et 612b, les connecteurs thermiques 614, 615, 616 et 617, et l'ouverture 613. Le dispositif 600 comprend en outre un capot 902 comprenant la plaque métallique 611 et des moyens d'accrochage 903 prévus pour venir s'engager contre les parois métalliques 612a et 612b de la ceinture 901. Les figures 8a (face avant) et 8b (face arrière) illustrent un troisième mode de réalisation du dispositif 600 de blindage électromagnétique et de dissipation de chaleur de l'invention. Dans ce troisième mode de réalisation, la ceinture 901 comprend des ouvertures 618 et 619 (aussi appelée par la suite deuxième ouverture) situées au voisinage de l'ouverture 613. Les ouvertures 618 et 619 communiquent entre elles et avec l'ouverture 613. Ainsi, il est possible d'augmenter les zones d'échanges avec l'air ambiant tout en augmentant le potentiel de protection électromagnétique du circuit électronique.10 REVENDICATIONS1. Dispositif (600) de blindage électromagnétique et de dissipation de chaleur dégagée par un composant électronique (71), ledit composant comprenant un boîtier (712) prévu pour être solidarisé à une première face (52) d'un circuit imprimé (500), dit face arrière, au moyen d'un drain thermique (72), ledit drain thermique traversant la face arrière du circuit imprimé et débouchant sur une deuxième face (51) du circuit imprimé, dite face avant, caractérisé en ce que ledit dispositif (600) comprend une structure métallique (61) ou métallisée montée sur la face avant du circuit imprimé et définissant une enceinte de blindage électromagnétique, ladite structure métallique comprenant une première ouverture d'évacuation de chaleur (613) s'étendant sensiblement en regard dudit drain thermique (72), et en ce que ledit dispositif (600) comprend au moins un connecteur thermique (614, 615, 616, 617) dont une première extrémité (El) est solidarisée à ladite structure métallique (61) et dont une seconde extrémité (E2) est solidarisée audit drain thermique (72) et/ou à la face avant (51) du circuit imprimé au voisinage dudit drain thermique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un élément formant canal d'évacuation de chaleur (800) depuis ledit drain thermique 20 (72) vers ladite première ouverture (613). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément formant canal d'évacuation comprend ledit connecteur ou au moins un d'une pluralité de connecteurs. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en 25 ce que chaque connecteur est réalisé dans un matériau métallique. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite structure comprend au moins une deuxième ouverture (618, 619) située au voisinage de ladite première ouverture (613). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en 30 ce que ledit composant est un amplificateur de puissance. 7. Circuit électronique (400) comprenant un circuit imprimé (500)comprenant un composant électronique (71) dégageant de la chaleur, ledit composant comprenant un boîtier (712) prévu pour être solidarisé à une première face (52) du circuit imprimé, dit face arrière, au moyen d'un drain thermique (72), ledit drain thermique traversant la face arrière du circuit imprimé et débouchant sur une deuxième face (51) du circuit imprimé, dite face avant, caractérisé en ce que ledit circuit (400) comprend un dispositif (600) de blindage électromagnétique et de dissipation de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.