Brevet FR3036917A1 — publié le 20161202

La présente invention se rapporte à un dispositif électronique comprenant une carte de circuit imprimé avec un refroidissement amélioré des composants qu'elle porte. Un exemple de ce dispositif est un onduleur qui est capable de convertir un courant continu, généralement fourni par une batterie, en un courant alternatif, généralement pour être fourni à une machine électrique, comme un moteur. Pour effectuer cette opération, cet onduleur comprend typiquement des composants divers avec un ensemble de composants de puissance, qui effectuent l'alternance de conversion courant continu/courant alternatif, et un ensemble de composants de signal, qui traite des mesures et effectue une logique de commande pour les composants de puissance. Ces composants sont typiquement montés sur une carte de circuit imprimé, qui permet de lier électriquement et qui agit comme un support mécanique pour ces composants. Cependant, une telle carte de circuit imprimé est inefficace d'un aspect thermique, c'est-à-dire qu'elle n'est pas appropriée pour évacuer la chaleur générée par les composants de puissance. Pour assurer le refroidissement d'une telle carte, comme cela est mieux décrit dans la demande de brevet EP 2 809 135, celle-ci est composée d'une succession de couches alternées conductrices et isolantes électriquement, d'au moins un composant monté sur la couche supérieure et d'un dispositif de refroidissement des composants de la carte. Dans l'exemple décrit par cette demande de brevet, ce dispositif de refroidissement est un radiateur à ailettes qui est placé sur la couche inférieure de la carte. 3036917 2 Pour assurer la transmission de la chaleur entre les composants et le radiateur, cette carte est traversée de part en part par des puits revêtus intérieurement d'une couche d'un métal thermiquement conductrice. Ces puits relient avantageusement les composants électroniques au 5 radiateur et permettent d'évacuer la chaleur générée par ces composants vers le radiateur en assurant ainsi le refroidissement de la carte. Ce dispositif est avantageux car il permet d'évacuer une partie de la chaleur mais peut s'avérer insuffisant lorsque de grandes quantités de chaleur sont à 10 dissiper. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients ci-dessus grâce à un dispositif électronique qui permet d'assurer le refroidissement de ces composants même lorsque ceux-ci dégagent une grande quantité de chaleur. 15 De plus, le dispositif de l'invention utilise sensiblement les mêmes techniques que celles qui sont actuellement employés pour la fabrication de cartes de circuits imprimés et de montage des composants sur la carte de circuit imprimé. A cet effet, la présente invention concerne un dispositif électronique 20 comprenant une carte de circuit imprimé portant au moins un composant comprenant au moins un composant de puissance et/ou au moins un conducteur de puissance, ladite carte de circuit imprimé comportant une succession en alternance de couches isolantes et conductrices, des puits portant un revêtement intérieur conducteur électriquement et thermiquement et traversant l'épaisseur de 25 la carte, et un dispositif de refroidissement de la carte, caractérisé en ce que l'intérieur du puits est rempli en outre d'une matière thermiquement conductrice pour réaliser un pont thermique entre le composant et le dispositif de refroidissement. 30 La matière thermiquement conductrice peut être la matière de liaison du composant avec la carte. La matière thermiquement conductrice peut être de l'étain. 3036 917 3 La carte peut porter une pâte thermique placée entre la couche inférieure de la carte et le dispositif de refroidissement. Les puits peuvent être obtenus par perçage et être revêtus intérieurement 5 d'une couche de métal conducteur et être remplis d'une matière thermiquement conductrice. Les puits peuvent être obtenus par perçage, être revêtus intérieurement d'une couche de métal conducteur et être remplis d'une matière thermiquement 10 conductrice ainsi que d'une pâte thermique. Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître maintenant à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées : 15 - la figure 1 qui est une vue de dessus schématique locale de la carte de circuit imprimé et - la figure 2 qui est une vue schématique en coupe selon la ligne 2-2 de la figure 1. 20 La figure 1 montre une partie d'un dispositif électronique 10 comprenant une carte de circuit imprimé 12, ici une partie d'un dispositif comprenant des circuits de commutation, par exemple un onduleur. Cette carte de circuit imprimé 12 porte au moins une série de composants avec un composant de puissance 14 et son corps principal 16 et au moins un 25 conducteur de puissance 18 qui est apte à recevoir ou émettre une puissance électrique en étant avantageusement relié à une piste conductrice 20. A titre d'exemple non limitatif, le composant de puissance 14 peut être un composant électronique, tel que, par exemple, un commutateur statique, un 30 transistor MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Transistor à effet de champ), un transistor IGBT (lnsulated Gate Bipolar Transistor), une résistance, etc. De même, le composant peut être un composant qui ne soit pas dit de puissance mais un composant qui génère une chaleur significative, comme un processeur. 3036917 4 Sur la figure 2, la carte de circuit imprimé 12 comprend de préférence une succession de couches isolantes 22 et de couches conductrices 24 qui alternent réciproquement en étant empilées les unes sur les autres. 5 Ces couches sont reliées les unes aux autres par tous moyens connus à la portée de l'homme du métier. Les couches isolantes 22 comprennent de préférence un matériau électriquement et thermiquement isolant, par exemple des fibres de verre. Les 10 couches conductrices 24 comprennent avantageusement un mélange d'un matériau électriquement et thermiquement conducteur, de préférence un métal tel que par exemple le cuivre et d'un matériau électriquement et thermiquement isolant. 15 La carte 12 comprend en outre une base de montage 26 pour la réception du corps principal 16 du composant de puissance. Cette base de montage 26 comprend une plaque conductrice 28 pour chaque couche conductrice 24 et en contact avec celle-ci. Ces plaques ont avantageusement toutes une même forme et sont de préférence empilées. 20 La carte comprend, au niveau de la base de montage 26, une pluralité de puits 30 sensiblement perpendiculaires à la face des couches 22, 24 et qui traversent toute l'épaisseur de la carte à circuit imprimé en étant régulièrement espacés les uns des autres. 25 Ces puits permettent de réaliser un contact électrique et thermique avec les plaques conductrices 28 des couches conductrices 24. Pour cela, ces puits comprennent un revêtement interne de métal conducteur 32, de préférence du même métal que les couches conductrices, tel que du cuivre. Ces puits sont de préférence obtenus par perçage au travers de l'épaisseur 30 de la carte du circuit imprimé. Ces perçages sont ensuite revêtus intérieurement d'une mince couche de métal conducteur, par exemple par un procédé de galvanisation, en laissant subsister une colonne creuse à l'intérieur de ce puits. 3036917 5 Un dispositif de refroidissement 34 de la carte est également porté par cette carte. Préférentiellement, ce dispositif est placé sur la couche inférieure de la carte et permet l'évacuation de chaleur générée par les composants de la carte avec le milieu extérieur, ici de l'air. 5 Avantageusement, ce dispositif est un radiateur à ailette 34 qui est en contact avec les extrémités inférieures 36 des puits 30 au travers d'une matière durcissable 38, comme une pâte thermique. Cette pâte, qui est malléable, est placée entre la couche inférieure de la carte et la paroi du radiateur qui lui fait face 10 en étant en contact avec le revêtement intérieur conducteur des puits. Suite à sa mise en place, la pâte durcit et assure alors une liaison rigide entre la carte et le radiateur ainsi que la connexion thermique avec les puits. Comme visible sur la figure 2, le corps 16 du composant de puissance 14 est 15 avantageusement connecté à la base de montage 26 au travers d'une couche de liaison 40 d'une matière connue en soi, comme de l'étain. Outre le fait de réaliser la connexion avec la base, cette matière, qui est également thermiquement conductrice, permet de réaliser la connexion thermique avec les extrémités supérieures 42 des puits et avec le revêtement interne des 20 puits 30. Comme mieux illustré sur la figure 2, la colonne creuse à l'intérieur des puits est remplie d'une matière conductrice de chaleur 44 entre les deux extrémités 36, 42. 25 De manière préférentielle, cette matière provient de la matière de la couche de liaison, ici de l'étain. Ainsi, lors de l'opération de connexion, l'étain s'écoule dans la colonne creuse du puits jusqu'à remplir complétement la colonne creuse entre les deux extrémités du puits. Ceci permet de réaliser à la fois la connexion du composant 14 avec la base 30 et le remplissage de l'intérieur des puits. Il est donc crée un pont thermique entre le composant 14 et le radiateur de refroidissement 34 par les matières (cuivre et étain) de l'intérieur des puits 30 et la pâte thermique 38. 3036 917 6 Grâce à cela, la conductivité thermique de la carte est supérieure d'environ 50% à celle des cartes de l'art antérieur. Il est à noter que l'utilisation d'une pâte thermique permet d'assurer le 5 contact thermique entre l'étain et le radiateur lorsque l'étain n'atteint pas l'extrémité inférieure d'un ou plusieurs puits. En effet, après l'opération de remplissage des puits et lors de la mise en place de la pâte thermique, qui est initialement malléable, celle-ci pénètre à l'intérieur des puits jusqu'à ce qu'elle soit au contact avec l'étain. Ce contact permet alors d'assurer le transfert de chaleur 10 entre les puits et le radiateur. Bien entendu et cela sans sortir du cadre de l'invention, la piste conductrice 20 de la figure 1 est reliée au radiateur par une multiplicité de puits 30' munis d'un revêtement interne à base de cuivre. Dans la zone de jonction avec le conducteur 15 de puissance 18, l'intérieur de ces puits est rempli d'une matière conductrice de chaleur. Cette matière est avantageusement de l'étain qui est utilisé pour assurer la liaison du conducteur avec la piste. Préférentiellement, les puits 30' en regard de la piste 20 sont remplis de matière conductrice de chaleur, ici de l'étain, de manière à assurer la conduction 20 thermique vers le dispositif de refroidissement 34 de la chaleur produite par effet Joule par la piste. REVENDICATIONS1) Dispositif électronique (10) comprenant une carte de circuit imprimé (12) portant au moins un composant comprenant au moins un composant de puissance (14) et/ou au moins un conducteur de puissance (18), ladite carte de circuit imprimé comportant une succession en alternance de couches isolantes (22) et conductrices (24), des puits (30, 30') portant un revêtement intérieur conducteur électriquement et thermiquement (32) et traversant l'épaisseur de la carte, et un dispositif de refroidissement (34) de la carte, caractérisé en ce que l'intérieur du puits est rempli en outre d'une matière thermiquement conductrice (44) pour réaliser un pont thermique entre le composant et le dispositif de refroidissement (34). 2) Dispositif électronique (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière thermiquement conductrice est la matière de liaison (40) du composant avec la carte. 3) Dispositif électronique (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la matière thermiquement conductrice est de l'étain. 4) Dispositif électronique (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la carte porte une pâte thermique (38) placée entre la couche inférieure de la carte et le dispositif de refroidissement (34). 5) Dispositif électronique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les puits sont obtenus par perçage, lesdits perçages étant revêtus intérieurement d'une couche de métal conducteur (32) et remplis d'une matière thermiquement conductrice (44). 6) Dispositif électronique (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les puits sont obtenus par perçage, lesdits perçages étant revêtus intérieurement d'une couche de métal conducteur (32) et remplis d'une matière thermiquement conductrice (44) ainsi que d'une pâte thermique. 3036917 8 7) Machine électrique comprenant un dispositif électronique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes.