Brevet FR2932944A1 — publié le 20091225

Dispositif électronique comportant une interface thermique élastique avec des composants électroniques Le domaine de l'invention est celui des composants électroniques et notamment des composants électroniques de puissance pour lesquels des problèmes de dissipation thermique se posent. Le refroidissement des points chauds sur une carte imprimée est 5 un problème classique qui cependant n'a pas de solution satisfaisante à ce jour. Si le problème théorique est facile à résoudre, la réalisation pose des problèmes difficiles lors de la fabrication des cartes. En effet le composant est brasé sur une carte imprimé et la méthode la plus 10 performante est d'évacuer la chaleur par un drain métallique (généralement constitué par un alliage d'aluminium) situé au-dessus du composant. L'épaisseur de l'interface est variable en fonction des tolérances de montage établies par ordre d'importance soit typiquement : - la hauteur du composant ; 15 - l'épaisseur du circuit imprimé ; - la tolérance de montage et l'épaisseur de drain. Actuellement pour prendre en compte cette épaisseur variable, plusieurs dispositifs sont employés : L'utilisation d'un ou plusieurs ressorts métalliques de type lame 20 métallique, matelas tressé, drain de faible épaisseur pour avoir la souplesse. Cette solution très utilisée pour les blindages est peu performante pour les applications thermiques. En effet, pour obtenir une variation importante de hauteur, la souplesse est obtenue par une section faible obstruant le passage du flux de chaleur et la conductivité thermique est faible. 25 L'utilisation de matériau non métallique élastique : cette solution donne des résultats corrects thermiquement mais ne permet pas d'obtenir des variations importantes d'épaisseur. D'autre part, les forts taux d'écrasement génèrent des contraintes importantes au niveau de la carte et du report du composant. De plus les bonnes conductivités thermiques 30 obtenues par augmentation de la charge de l'élastomère ont tendance à durcir le matériau. L'utilisation d'un matériau moulé en place : ce matériau est injecté par un trou dans le drain métallique ou dans le circuit avec une seringue et polymérise en place. Cette solution permet de s'affranchir complètement de la hauteur du composant, mais est une solution coûteuse en réalisation. D'autre part lors du démontage, l'adhérence de ces types de matériau sur le composant et le drain est très bonne et parfois l'arrachement du composant sur la carte est observé lors de la dépose du drain (problème crucial lorsque plusieurs composants sont montés sur le même drain). L'utilisation de matériau non métallique permettant le fluage. Cette solution est très employée sur les cartes électroniques : chaque composant fait une empreinte conforme adaptée à la taille de chaque composant. Le matériau permettant ce fluage est très souple et par définition peu chargé en adjuvants thermoconducteurs, la conductivité thermique n'est pas très bonne. Le problème est lié à la durée de vie : le matériau continue à fluer sous l'effet de contraintes environnementales courantes dans les équipements avioniques : dilatation thermique, vibrations et chocs. La pression au niveau des interfaces nécessaire pour le bon contact thermique tend vers zéro. Dans ce contexte, la présente invention a pour objet un dispositif électronique comportant un coussin élastique et conducteur de la chaleur qui est interposé entre des composants électroniques et un drain thermique, pour assurer une conduction bonne et permanente entre les deux. Un tel coussin permet d'atteindre les deux objectifs recherchés suivants à savoir une section de passage du flux thermique importante assurant une bonne conductivité thermique et une épaisseur variable et ajustable automatiquement à l'encombrement désiré. Plus précisément l'invention a pour objet un dispositif électronique comportant un substrat, au moins un composant électronique à la surface dudit substrat et un drain thermique destiné à évacuer la chaleur libérée par le composant électronique en fonctionnement, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un coussin composite comprenant une enveloppe élastique et étanche et un coeur souple de bonne conductivité thermique incorporé dans ladite enveloppe, le coussin assurant l'interface entre le composant électronique et le drain thermique. La solution proposée dans la présente invention permet de dissocier les contraintes requises pour l'interface et d'établir un choix du matériau interne seulement lié à ses performances thermiques et un choix de l'enveloppe seulement lié à ses propriétés mécaniques : élasticité et étanchéité. Une telle approche est beaucoup plus simple que de prendre en compte l'ensemble de ces paramètres avec un seul matériau (conférer les réalisations actuelles). Selon une variante de l'invention, le coeur est réalisé avec un 10 matériau de type gel. Selon une variante de l'invention, le coeur est réalisé avec un matériau de type émulsion. Selon une variante de l'invention, le coeur est réalisé avec un matériau liquide. 15 Selon une variante de l'invention, le coeur est réalisé avec un matériau à changement de phase. Selon une variante de l'invention, le coeur est réalisé avec une graisse. Selon une variante de l'invention, le coeur est réalisé avec une pâte 20 de type Bergquist ou Thermagon. Selon une variante de l'invention, l'enveloppe est réalisée avec un matériau de type élastomérique à grande élasticité. Selon une variante de l'invention, l'enveloppe est en caoutchouc naturel. 25 Selon une variante de l'invention, l'enveloppe est silicone. L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif électronique selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - le remplissage sous vide de l'enveloppe par un matériau à forte 30 conductivité thermique ; - la fermeture étanche de l'enveloppe. Selon une variante de l'invention, le remplissage de l'enveloppe est réalisé sous vide avec un scellement par thermocompression permettant une absence totale d'air dans l'enveloppe. 35 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 : - la figure 1 schématise un dispositif électronique comportant un 5 composant électronique séparé d'un drain thermique par une interface selon l'invention ; la figure 2 illustre le changement de géométrie susceptible d'être obtenu avec l'interface présente dans le dispositif de l'invention; 10 la figure 3 illustre la variation des surfaces de l'enveloppe (allongement en pourcentage par rapport à la surface initiale) en fonction de l'écrasement du cylindre (en pourcentage par rapport au diamètre initial), constitué par le coussin. 15 Le dispositif électronique de l'invention comporte de manière connue, un substrat sur lequel est positionné un composant électronique pouvant notamment être un composant de puissance, susceptible de générer des élévations de températures importantes en cours de fonctionnement. C'est pourquoi il comporte également un drain thermique destiné à évacuer 20 la chaleur ainsi générée en cours de fonctionnement. Le dispositif électronique comprend également une structure d'interface assurant le contact entre le ou les composants électroniques et le drain thermique. Selon l'invention, la structure d'interface est réalisée avec une structure bi-composants comportant une enveloppe d'interface le et un coeur 25 d'interface le comme schématisé en figure 1 et assure ainsi l'évacuation de la chaleur d'un composant Ci à la surface d'un circuit imprimé Cl, vers le drain thermique D. Le fonctionnement d'une telle structure d'interface est le suivant : le volume interne du matériau conducteur est constant. Si l'épaisseur est 30 diminuée, l'enveloppe est étirée pour compenser la variation de géométrie comme illustré en figure 2. Une étude de dimensionnement est faite sur un exemple simplifié de géométrie : le cylindre est traité dans un modèle 2D. Dans une position initiale le volume du cylindre est rre2/4. L, avec 35 L : Longueur et la surface du cylindre est Ire*L. Lorsqu'une pression est appliquée, l'épaisseur varie de Lie, la section (rectangle et cercle) reste égale à rre2/4 mais la surface est augmentée : deux estimations peuvent être faites : toute la surface s'allonge : résultat surface min - seule la surface qui n'est pas en contact avec les deux plans s'allonge : résultat surface max Le graphique illustré en figure 3 montre la variation des surfaces de l'enveloppe (allongement en pourcentage par rapport à la surface initiale) en fonction de l'écrasement du cylindre (en pourcentage par rapport au diamètre initial). Le résultat réel compris entre ces 2 courbes, 3a correspondant à un résultat de surface min et 3b correspondant à un résultat de surface max, est très intéressant. II ressort qu'un écrasement de 50% semble accessible vu les performances des matériaux élastiques. Ceci est applicable aux composants de dimension importante de type Bail Grid Array (BGA) ou Fine Pitch Grid Array (FPBGA) et autres. Le cas de la sphère écrasée peut s'avérer encore plus intéressant mais préférentiellement destiné aux petits composants carrés 20 (microprocesseurs). Exemple de réalisation d'un dispositif électronique selon l'invention : choix du matériau thermique : les matériaux existants à conduction thermique élevée sont bien connus, le critère de choix est lié à la performance en fonction du coût désiré. Ces matériaux peuvent être de type liquide, gel, graisse, pâte commercialisée par �Bergquist� nom déposé, � Thermagon� nom déposé ou autres. choix de l'enveloppe : dans les matériaux existants, le choix est fait en fonction des caractéristiques mécaniques dans les conditions d'environnement des équipements. Typiquement dans le cadre d'applications telles que des applications avioniques on est amené à choisir des matériaux de type élastomères à haute élasticité comme le caoutchouc naturel, ou des silicones. 25 30 35 choix de la géométrie : en fonction de l'épaisseur et de la tolérance, de la taille du composant, de la définition de la géométrie du composant. Le dispositif peut être disponible sous forme sphérique ou oblongue avec différents diamètres. En fonction du taux de compression appliqué il peut s'adapter à toutes les tailles de composants du petit au plus grand. le remplissage de l'enveloppe est réalisé sous vide avec un scellement par thermocompression permettant une absence totale d'air dans l'enveloppe. REVENDICATIONS1. Dispositif électronique comportant un substrat (CI), au moins un composant électronique (Ci) à la surface dudit substrat et un drain thermique (D) destiné à évacuer la chaleur libérée par le composant électronique en fonctionnement, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un coussin composite comprenant une enveloppe élastique (Ie) et étanche et un coeur souple (Ic) de bonne conductivité thermique incorporé dans ladite enveloppe, le coussin assurant l'interface entre le composant électronique et le drain thermique. 2. Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le coeur est réalisé avec un matériau de type gel. 3. Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le coeur est réalisé avec un matériau de type émulsion. 4. Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le coeur est réalisé avec un liquide. 5. Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en 20 ce que le coeur est réalisé avec une graisse. 6. Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le coeur est réalisé avec une pâte de type � Bergquist � nom déposé ou � Thermagon � nom déposé. 7. Dispositif électronique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'enveloppe est réalisée avec un matériau élastomérique à forte élasticité. 30 8. Dispositif électronique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'enveloppe est en caoutchouc naturel. 25 9. Dispositif électronique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'enveloppe est silicone. 10. Procédé de fabrication d'un dispositif selon l'une des 5 revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - le remplissage sous vide de l'enveloppe par un matériau à forte conductivité thermique ; la fermeture étanche de l'enveloppe. 10 11. Procédé de fabrication d'un dispositif électronique selon la revendication 10, caractérisé en ce que le remplissage de l'enveloppe est réalisé sous vide avec un scellement par thermocompression permettant une absence totale d'air dans l'enveloppe. 15 20