Brevet FR2944408A1 — publié le 20101015

�Boîtier pour carte électronique embarquée� La présente invention relève du domaine de l'avionique. Plus précisément, elle concerne un boîtier pour cartes électroniques embarquées sur aéronefs. De façon connue, pour améliorer leurs performances, leur sécurité, leur confort, leur automatisation etc., les aéronefs actuels embarquent de plus en plus d'équipements dont le contrôle est assuré par des cartes électroniques. Celles-ci doivent alors être mécaniquement solidarisées à la structure de l'aéronef et répondre à diverses contraintes de sécurité normalisées (protection contre les chocs et poussières, réponse aux efforts mécaniques, contraintes de dissipation thermique ou de tenue à une plage de températures donnée, contraintes de tenue aux champs électromagnétiques, etc.). Comme on le sait, les performances de l'électronique sont en amélioration constante, entre autres du fait de l'augmentation de la puissance des composants (processeurs en particulier). Cette évolution se traduit sous forme de chaleur dissipée de plus en plus importante (plusieurs dizaines de watts par carte électronique), nécessitant des moyens de dissipation thermique dédiés aux cartes électroniques embarquées, par exemple : dissipateurs passifs de type radiateur ou actif de type ventilateur ou caloduc. Pour des raisons évidentes de sécurité de fonctionnement de l'aéronef en vol, ces cartes électroniques doivent enfin autant que possible supporter, au moins temporairement, une panne de ventilation sans compromettre la sécurité du vol. Actuellement, la solution retenue est d'utiliser des boîtiers électroniques comportant environ cinq à dix cartes électroniques fixées à la structure. La dissipation de la chaleur est assurée par des dissipateurs en aluminium ou cuivre, fixés sur les processeurs les plus dissipatifs, et reliés à la structure métallique du boîtier, le plus souvent réalisée en aluminium. Cette liaison mécanique permet la conduction thermique et le refroidissement des processeurs. 2 Dans cette configuration, une panne d'une des cartes se traduit le plus souvent par le démontage et le remplacement du calculateur concerné, dont le coût peut atteindre plusieurs centaines de milliers d'euros. De plus, les technologies de fabrication de boîtiers électroniques embarqués en aluminium atteignent leurs limites en termes d'efficacité de dissipation thermique et de poids tout en respectant des contraintes d'environnement électromagnétique et mécanique. On comprend que l'augmentation incessante de puissance des processeurs va rendre ces boîtiers actuels incompatibles avec les normes de dissipation thermique et de sécurité. L'objectif de cette invention est de faciliter la prise en compte des contraintes thermiques de plus en plus grandes auxquelles fait face l'électronique embarquée sur un aéronef. Un autre objectif est de faciliter la maintenance et l'évolutivité des systèmes électroniques. Un troisième objectif est de permettre de répartir l'électronique en divers points de l'aéronef, au lieu de concentrer toutes les cartes dans le même calculateur. A cet effet, l'invention concerne un boîtier pour au moins une carte électronique comportant des composants thermiquement dissipatifs principalement sur une face dite supérieure, le boîtier étant de type présentant une largeur standardisée et comportant deux guides latéraux adaptés à venir coopérer avec des glissières ménagées sur les faces intérieures d'une baie électronique, comprenant deux demi-coques, supérieure et inférieure, plaquées l'une contre l'autre au niveau des guides latéraux, la demi-coque inférieure comportant au moins une zone d'appui formant le logement de la carte électronique, le boîtier comprenant en outre des moyens de plaquer chaque carte électronique dans chaque logement correspondant, et de plaquer au moins un dissipateur thermique contre la face supérieure d'au moins une carte électronique, 3 le bâti ayant pour fonction la prise en compte des contraintes mécaniques liées aux cartes électroniques hébergées par le boîtier, et le capot ayant pour fonction d'assurer une bonne conductivité thermique permettant la dissipation de la chaleur produite par une carte électronique en cours de fonctionnement. Selon un mode préféré de réalisation, les guides latéraux sont formés chacun d'une demi-guide supérieur faisant partie au capot, et d'un demi-guide inférieur faisant partie au bâti Préférentiellement, le moyen de plaquage est un ressort venant prendre appui, d'une part, sur la face intérieure du capot, d'autre part, sur la carte électronique, enfin, sur un dissipateur afin de plaquer celui-ci sur au moins un composant fortement dissipatif de la carte électronique. Dans ce cas, le ressort de plaquage est avantageusement constitué d'une bande rectangulaire périmétrique, destinée à venir se placer sous la face intérieure du capot, de pattes inclinées placées au vis à vis de chaque point d'appui du bâti solidarisées en leur partie haute à la bande rectangulaire périmétrique, d'un ensemble de bandes inclinées, solidarisées en leur partie haute à la bande rectangulaire périmétrique et destinées à transmettre une force d'appui sur la face supérieure d'un dissipateur thermique. Préférentiellement, le dispositif de plaquage est réalisé en matériau présentant de très bonnes qualités de conductivité thermique. Selon un mode préféré de réalisation du boîtier, le bâti est réalisé en matériau thermoplastique haute température. Ce matériau thermoplastique haute température est par exemple du 25 (Poly-Ether-Ether-Cétone) chargé en fibres courtes. Avantageusement, le bâti est métallisé en surface. Selon un mode préféré de réalisation du boîtier, le capot comprend un flan en matériau composite à très forte conductivité thermique, plié sur les bords pour épouser la forme du bâti. 30 Avantageusement, le capot comporte sur ses bords latéraux deux inserts métalliques formant chacun le demi-guide supérieur du boîtier, servant à assurer une bonne conduction thermique et électrique entre le capot et la baie électronique. 4 Préférentiellement, le capot comprend un moyen de protection électromagnétique. Ce moyen de protection électromagnétique est par exemple un feuillard métallisé relié au matériau métallique formant les inserts métalliques. Dans ce cas, le capot est réalisé par un processus comprenant une phase de drapage des couches de fibres et du feuillard métallisé sur une préforme, un assemblage avec les inserts métalliques, puis une cuisson par moyen chaud. Pour permettre le passage de dissipateurs thermiques de grande hauteur, le capot comporte avantageusement sur sa face supérieure au moins un évidement rectangulaire adapté au passage d'au moins un dissipateur thermique. Selon un mode préféré de réalisation du boîtier, le bâti et le capot ont des épaisseurs significativement différentes : l'espace disponible b dans le boîtier sous la carte électronique étant sensiblement inférieur à l'espace disponible a au dessus de celle-ci. La description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple d'un mode de réalisation de l'invention, est faite en se référant aux figures annexées dans lesquelles : la figure 1 est une vue en perspective d'un boîtier électronique selon l'invention, la figure 2 illustre une vue en coupe de ce même boîtier, la figure 3 est un schéma de principe de ce boîtier, la figure 4 est une vue en perspective d'un module dont le capot a été retiré, la figure 5 montre en vue en perspective de dessus un capot doté de dispositifs de plaquage et d'un dissipateur thermique, la figure 6 illustre les mêmes éléments, en vue de dessous, la figure 7 montre en perspective une baie électronique adaptée à accueillir des boîtiers selon l'invention, la figure 8 illustre de même un exemple de mise en oeuvre des boîtiers électroniques selon l'invention dans une baie électronique embarquée sur avion, Le dispositif selon l'invention est un boîtier 1 globalement rectangulaire mince (voir figure 1), destiné à accueillir une ou plusieurs cartes électroniques 2 (non visibles sur la figure 1, qui illustre un boîtier fermé, tel que prêt à être intégré dans une baie électronique). Dans l'exemple décrit ici à titre nullement limitatif, le boîtier accueille deux cartes électroniques côte à côte. Les cartes électroniques dont il est ici question comportent la plupart de leurs composants sur une même face de la carte, dite face supérieure. Un tel boîtier présente typiquement des dimensions d'environ vingt centimètres de long, quinze centimètres de large et deux d'épaisseur. Elles dépendent ici des dimensions existantes entre les glissières de baies électroniques de type standard en avionique. Ce boîtier 1 est doté sur deux de ses faces latérales opposées de guides latéraux 3a, 3b, aptes à coopérer avec des glissières d'une baie électronique, non détaillée ici. Ces guides latéraux 3a, 3b sont des surfaces planes de largeur constante s'étendant perpendiculairement aux faces qui les supportent, et situées dans un plan parallèle au plan médian du boîtier 1. On définit pour la suite de la description un axe longitudinal X, correspondant à la direction de ces guides latéraux 3a, 3b. De même, on définit un axe transversal Y perpendiculaire à ces guides latéraux 3a, 3b, et situé dans le plan principal du boîtier 1. Enfin un axe vertical Z complète ce repère. Comme on le voit sur la figure 1, le boîtier 1 est formé principalement de deux parties : un capot 4 et un bâti 5. Ce bâti 5 et ce capot 4 se rejoignent latéralement au niveau des guides 3a, 3b, dont ils forment chacun la moitié environ de l'épaisseur. Le capot 4 vient se placer sur le bâti 5, le positionnement correct étant assuré par des ergots 6 (figure 2) disposés sous les bords latéraux du capot 4, et correspondant à des logements au sein des bords latéraux du bâti 5. Tel qu'illustré figure 2, ces ergots 6 et logements 7 sont ménagés sensiblement au niveau des guides latéraux 3a, 3b, formés chacun d'un demi-guide supérieur appartenant au capot 4, et d'un demi-guide inférieur appartenant au bâti 5. Les ergots 6 peuvent alternativement être remplacés par des saillies longitudinales et les logements 7 par des glissières leur correspondant. 6 La disposition du boîtier 1 en deux éléments 4, 5 se superposant au niveau des guides latéraux 3a, 3b permet un montage du boîtier 1 sans utilisation de vis, le bâti 5 et le capot 4 étant plaqués l'un contre l'autre dès lors que les guides latéraux 3a, 3b sont insérés dans des glissières d'une baie électronique. Cette disposition facilite naturellement la maintenance de ces boîtiers. Le bâti 5 a une fonction de prise en compte des contraintes mécaniques liées aux cartes électroniques 2 hébergées par le boîtier 1. Il a comme seconde fonction le positionnement correct desdites cartes 2. En conséquence, le bâti 5 (voir figure 2 et figure 4) se présente comme une coque rigide d'épaisseur sensiblement constante de un a trois millimètres ici séparée, par une paroi centrale 8, en deux logements longitudinaux évidés 9, destiné chacun à accueillir une carte électronique 2. Les bords longitudinaux et latéraux du bâti 5, ainsi qu'une butée centrale 13 (figure 2) limitent le jeu latéral résiduel d'une carte électronique 2 une fois placée dans son logement. Chaque logement longitudinal évidé 9 comporte un ensemble de points d'appui 10 (trois de chaque côté longitudinal du logement 9 dans le cas illustré figure 4). Le bâti 5 présente sur une de ses extrémités longitudinales un percement 11 principalement rectangulaire, face à chaque logement de carte électronique 2, adapté à permettre l'installation d'un connecteur 12 fixé au bout de la carte électronique 2. Ces connecteurs 12 sont de type standard, et le percement 11 est dimensionné en conséquence. Pour des raisons de coût de fabrication réduit, et de capacité à prendre en compte les contraintes de géométrie (logement, paroi centrale, points d'appuis, percement etc.), le bâti 5 est fabriqué par moulage par injection à haute pression d'une matière plastique technique, par exemple un matériau thermoplastique de type PEEK (Poly-Ether-Ether-Cétone), chargé dans le présent exemple de fibres courtes, d'une façon connue en soi, pour améliorer sa conductivité thermique. Le matériau de type PEEK choisi pour le bâti 5 ne présente pas nécessairement de très bonnes propriétés thermiques ou électriques, par 7 contre il est très facile à travailler pour créer les sculptures souhaitées dans le bâti 5, peu coûteux et relativement léger malgré ses bonnes performances de résistance mécanique. Il est adapté à une production en série du bâti 5. Ce bâti 5 reçoit une métallisation de surface pour améliorer ses propriétés de barrière électromagnétique et de masse électrique. Les procédés de fabrication du bâti 5 par moulage de matière thermoplastique et de métallisation sont connus de l'homme de l'art et ne sont donc pas détaillés plus avant ici. Le capot 4 a, contrairement au bâti 5, pour fonction d'assurer une bonne conductivité thermique permettant la dissipation de la chaleur produite par une carte électronique 2 en cours de fonctionnement. De plus, ce capot 4 doit assurer une excellente protection électromagnétique des cartes électroniques 2. Par contre, sa forme géométrique est volontairement choisie simple, et le capot 4 n'a pas de fonction de transmission des efforts mécaniques entre les cartes électroniques 2 et la baie électronique. En conséquence, le capot 4 (voir figures 5 et 6) est composé principalement d'un flan en matériau composite, d'épaisseur quasiment constante (ici environ un millimètre), plié sur les bords pour épouser la forme rectangulaire du bâti 5. Il comporte sur chaque face latérale un ensemble de perçages 14 (voir figure 1) permettant une ventilation de l'intérieur du boîtier 1. Par ailleurs, il comporte sur une de ses faces longitudinales un évidement permettant le passage des connecteurs 12. En outre, le capot 4 peut comporter sur sa face supérieure deux évidements rectangulaires 15 adaptés au passage de dissipateurs thermiques 16, par exemple ici de type connu à socle plan et matrice d'excroissance verticales rectangulaires allongées. Le capot 4 comporte sur ses bords latéraux deux inserts métalliques 17 formant chacun le demi-guide supérieur du boîtier 1. Ces inserts métalliques 17, réalisés par exemple en aluminium, servent à assurer une bonne conduction thermique et électrique entre le capot 4 et la baie électronique. En dehors de ces inserts métalliques 17, le capot 4, qui doit présenter des qualités de conductivité thermique élevées, est réalisé sous forme d'un stratifié incluant une fibre de carbone graphitée possédant des propriétés 8 thermiques de 800 W/mK, et un feuillard métallisé 18. Ce matériau présente une conductivité thermique supérieure à celle du cuivre. Cependant, sa mise en oeuvre est difficile, ce qui conduit en général à proscrire ce matériau pour des applications nécessitant une production en série. Le feuillard métallisé 18 permet une protection électromagnétique des cartes électroniques 2 embarquées. Il est relié au matériau métallique formant les inserts métalliques 17 Le capot 4 est, dans le présent exemple, réalisé par un processus associant un drapage des couches de fibres et du feuillard métallisé 18 sur une préforme, un assemblage avec les inserts métalliques 17, puis une cuisson par moyen chaud. Le dispositif selon l'invention tire parti du fait que les cartes électroniques sont naturellement asymétriques, avec leurs composants généralement disposés sur une seule face, et donc un besoin d'espace et de volume de dissipation thermique nettement plus élevé sur une face que sur l'autre. De ce fait, l'espace disponible b dans le boîtier sous la carte électronique est sensiblement inférieur à l'espace disponible a au dessus de celle-ci, et par voie de conséquence, l'épaisseur L1 du bâti 5 est nettement inférieure à celle L2 du capot 4 (figure 3). Le boîtier 1 selon l'invention comprend enfin, pour une ou plusieurs des cartes électroniques 2 hébergées dans le boîtier 1, un dispositif de plaquage 19 d'un dissipateur 16 sur un composant 24 (de type processeur) d'une carte électronique 2 hébergée dans le boîtier 1. Ce dispositif de plaquage 19 (visible en deux exemplaires sur la figure 4) constitue en fait un ressort venant prendre appui : d'une part, sur la face inférieure du capot 4, dans le présent exemple de mise en oeuvre, par une bande rectangulaire périmétrique 22, d'autre part, sur la carte électronique 2, ici par des pattes inclinées 20 placées au vis à vis de chaque point d'appui 10 du bâti 5, solidarisées en leur partie haute à la bande rectangulaire périmétrique, enfin, sur la partie supérieure du socle d'un dissipateur 16, ici par deux bandes 21 très inclinées, partant des bords longitudinaux de la bande 9 rectangulaire périmétrique 22 et deux séries de pattes inclinées 23, partant des bords latéraux de la bande rectangulaire périmétrique 22. Le dispositif de plaquage 19 est naturellement ici décrit dans le cas de dissipateur 16 de type à socle plan et matrice d'excroissances verticales rectangulaires allongées. Le dispositif de plaquage 19 est également réalisé en matériau très bon conducteur thermique. La mise en oeuvre du boîtier selon l'invention est très aisée et rapide : après la mise en place d'une carte électronique 2 (comportant un processeur dans sa zone centrale) sur les points d'appui 10 d'un logement 9 du bâti 5, un dissipateur 16 est placé sur le processeur 24, puis le dispositif de plaquage 19 est placé sur le dissipateur 16, enfin le capot 4 est disposé au dessus du dispositif de plaquage 19, en laissant passer la partie supérieure du dissipateur 16 au travers des évidements 15 prévus à cet effet. On comprend que la seule fonction mécanique du capot 4 est d'assurer le plaquage correct du dissipateur 16 et de la carte électronique 2 dans son logement au sein du bâti 5. Le boîtier 1 complet est ensuite inséré par glissement des guides latéraux 3a, 3b dans des glissières d'une baie électronique compatible, jusqu'à ce que les connecteurs 12 soient en contact avec un connecteur correspondant assurant la continuité électrique et de données (figures 7 et 8). Un ensemble de boîtiers électroniques similaires (huit boîtiers 1 dans l'exemple illustré figure 6, sur lequel les ventilateurs de réfrigération 16 sont nettement visibles)est ainsi intégré dans une baie électronique disposée sur une étagère d'équipements avion. En fonctionnement, un ensemble de ventilateurs vient fournir un refroidissement des boîtiers par renouvellement permanent d'air. Dans ce cas , plus de 80% du refroidissement des cartes électroniques est assuré par convection. Cependant, au contraire, en cas de panne de ces ventilateurs, ce qui constitue un cas dimensionnant d'un point de vue sécurité de vol, 80% du refroidissement doit être assuré par conduction. 10 Dans le présent dispositif, le dissipateur 16 plaqué sur le processeur 24, forme une continuité thermique avec le dispositif de plaquage 19, le capot 4, et la baie électronique, il assure ainsi, en conjonction avec le capot 4, excellent conducteur thermique, un refroidissement correct de la carte électronique 2. Par rapport aux dispositifs antérieurs, la conduction thermique entre les composants dissipatifs et la baie électronique est ici assurée par le ressort de plaquage et le capot du boîtier, fournissant ainsi une grande surface de conduction thermique, nettement supérieure aux boîtiers existants. Le présent dispositif présente également l'avantage de ne pas nécessiter de vis pour la fixation des cartes électroniques 2, dissipateurs 16 ou capot 4 du boîtier 1, ce qui simplifie la maintenance et, par exemple, le remplacement d'une carte électronique. La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails des formes de réalisation ci-dessus considérées à titre d'exemple, mais s'étend au contraire aux modifications à la portée de l'homme de l'art. Dans la description qui précède, le dissipateur thermique traverse le capot. Il est clair que selon le type de dissipateur thermique utilisé, il n'est pas nécessaire de prévoir cette traversée du capot. Plus généralement, le boîtier tel que décrit est modulaire, et il est facile de modifier le type de capot utilisé pour un boîtier, voire d'utiliser des dispositifs de plaquage adaptés à diverses positions des composants dissipatifs sur la carte électronique. Dans une variante de réalisation, le matériau à haute qualité de conductivité thermique est un composite à matrice métallique (nanotubes de carbone + aluminium). La description de l'invention présente le cas de cartes électroniques dont les composants actifs sont disposés sur une seule face. Dans le cas de cartes à deux faces dissipatives, le présent dispositif, conçu pour avoir d'une part un moyen de maintien mécanique de la carte, et de l'autre un moyen de conduction thermique, reste applicable dans son principe. Dans ce cas, le moyen de tenue mécanique de la carte est un cadre solidarisé à la carte électronique par ses bords, et le boîtier comporte deux 11 capots dissipatifs, placés de part et d'autre de la carte électronique, tout en prenant appui sur le bâti central. REVENDICATIONS1. Boîtier (1) pour au moins une carte électronique (2) comportant des composants thermiquement dissipatifs principalement sur une face dite supérieure, le boîtier étant de type globalement rectangulaire mince, présentant une largeur standardisée et comportant deux guides latéraux (3a, 3b) adaptés à venir coopérer avec des glissières ménagées sur les faces intérieures d'une baie électronique, comprenant deux demi-coques, supérieure (4), dite capot, et inférieure (5), dite bâti, plaquées l'une contre l'autre au niveau des guides latéraux, le bâti (5) comportant au moins une zone d'appui (10) formant 10 logement de carte électronique, caractérisé en ce que le boîtier (1) comprend en outre des moyens (19) de plaquer chaque carte électronique (2) dans chaque logement correspondant, et de plaquer au moins un dissipateur thermique (16) contre la face supérieure d'au moins une carte électronique (2), 15 et en ce que le bâti (5) a pour fonction la prise en compte des contraintes mécaniques liées aux cartes électroniques (2) hébergées par le boîtier (1), et en ce que le capot (4) a pour fonction d'assurer une bonne conductivité thermique permettant le dissipation de la chaleur produite par les composants de la carte électronique (2) en cours de fonctionnement. 20 2. Boîtier selon la revendication 1, caractérisé en ce que les guides latéraux (3a, 3b) sont formés chacun d'un demi-guide supérieur faisant partie au capot (4), et d'un demi-guide inférieur faisant partie au bâti (5). 25 3. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de plaquage (19) est un ressort venant prendre appui, d'une part, sur la face intérieure du capot (4), d'autre part, sur la carte électronique (2), enfin, sur un dissipateur (16) afin de plaquer celui-ci sur au moins un composant fortement dissipatif de la carte électronique (2). 4. Boîtier selon la revendication 3, caractérisé en ce que le ressort de plaquage est constitué d'une bande rectangulaire périmétrique (22), destinée à venir se placer sous la face intérieure du capot (4), de pattes inclinées (20) placées au vis à vis de chaque point d'appui (10) du bâti (5) solidarisées en leur partie haute à la bande rectangulaire périmétrique, d'un ensemble de bandes (21) inclinées, solidarisées en leur partie haute à la bande rectangulaire périmétrique (22) et destinées à transmettre une force d'appui sur la face supérieure d'un dissipateur thermique (16). 5. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de plaquage (19) est réalisé en matériau présentant de très bonnes qualités de conductivité thermique. 6. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bâti (5) est réalisé en matériau thermoplastique haute température. 7. Boîtier selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau thermoplastique haute température est du (Poly-Ether-Ether-Cétone) chargé en fibres courtes. 8. Boîtier selon l'une quelconque des revendications 6 à 7, caractérisé en ce que le bâti (5) est métallisé en surface. 9. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capot (4) comprend un flan en matériau composite à très forte conductivité thermique, plié sur les bords pour épouser la forme du bâti (5). 10. Boîtier selon la revendication 9, caractérisé en ce que le capot (4) comporte sur ses bords latéraux deux inserts métalliques (17) formant chacun 3014 le demi-guide supérieur du boîtier (1), servant à assurer une bonne conduction thermique et électrique entre le capot (4) et la baie électronique. 11. Boîtier selon l'une quelconque des revendications 9 à 10, 5 caractérisé en ce que le capot (4) comprend un moyen de protection électromagnétique. 12. Boîtier selon la revendication 11, caractérisé en ce que le moyen de protection électromagnétiques est un feuillard métallisé (18) relié au 10 matériau métallique formant les inserts métalliques (17). 13. Boîtier selon la revendication 12, caractérisé en ce que le capot (4) est réalisé par un processus comprenant une phase de drapage des couches de fibres et du feuillard métallisé (18) sur une préforme, un assemblage avec 15 les inserts métalliques (17), puis une cuisson par moyen chaud. 14. Boîtier selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que le capot (4) comporte sur sa face supérieure au moins un évidement rectangulaire (15) adapté au passage d'au moins un dissipateur 20 thermique (16). 15. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bâti (5) et le capot (4) ont des épaisseurs significativement différentes : l'espace disponible b dans le boîtier (1) sous la 25 carte électronique (2) étant sensiblement inférieur à l'espace disponible a au dessus de celle-ci.