Brevet FR3076432A1 — publié le 20190705

-1- Description La presente invention concerne un dispositif de dissipation de la chaleur des composants electroniques montes sur une carte de circuit imprime, permettant de transferer la chaleur depuis un volume ferme par une enveloppe mecanique vers un volume ouvert dans lequel circule un fluide capable d'absorber la chaleur par transfert thermique. Les dispositifs electroniques comportent des composants electroniques dont certains peuvent chauffer tels que les transistors de puissance, les microcontroleurs, des capteurs optiques ou meme des LED de puissance. Le refroidissement des composants est necessaire pour garantir leur fonctionnement et leur duree de vie. Les systemes electroniques sont communement places dans un environnement ferme, par exemple protégé des intrusions pour eviter la pollution des zones sous tensions, le risque de court circuit par introduction d'un objet conducteur, la protection des personnes ou la presence d'humidite. Generalement, afin de refroidir les composants tout en les maintenant dans un environnement protégé des intrusions, la methode consiste a monter les composants electroniques sur des cartes de circuit imprime dans un boitier, et d'appliquer les elements qui chauffent contre la cloison du boitier. La methode consiste a les maintenir en contact par un dispositif tel qu'un ressort, pour maintenir un niveau de pression suffisant independamment des dispersions geometriques du boitier, du composant, et de la chaine de cote des elements intervenant entre le composant et la cloison du boitier. D'autres systemes consistent a placer la ou les cartes dans un boitier qui les proteges des intrusions, et a organiser le transfert de chaleur depuis le composant qui chauffe vers la surface du boitier par des composants additionnels conducteur de chaleur organisant un chemin de transfert thermique, tel que l'illustre le brevet EP3220729. D'autres systemes consistent a organiser un transfert thermique depuis Pinterieur de la zone protegee des intrusions vers l'exterieur de ce volume par P organisation d'un flux de fluide capable d'absorber Penergie dissipee, tel que l'illustre le brevet FR3048155. Ces systemes presentent les inconvenients du nombre de pieces necessaires, de l'ajustement et de la tolerance entre les elements qui est souvent difficile a maitriser, et de la possibilite d'une derive dans le temps, lie aux &placements, aux deformations ou aux desserrages d'elements. -2- La presente invention propose une solution permettant d'organiser un transfert thermique depuis une volume ferrite (1) par une enveloppe mecanique dans lequel se situent des composants electroniques vers un volume ouvert (2) capable d'absorber cette energie, tout en maintenant une separation mecanique entre les deux volumes, avec un 5 minimum de pieces. Le dispositif est un dispositif electronique comportant une carte de circuit imprime dont la base est une couche en materiau conducteur de chaleur et pourvu de composants electroniques et de pistes situes dans un volume ferme (1) delimite par une enveloppe mecanique et caracterise en ce : au moins un composant dissipe une energie 10 sous forme de chaleur transmise majoritairement a la couche en materiau conducteur de chaleur ; et une portion d'au moins une face de la carte de circuit imprime soit expos& a un volume ouvert (2) situe a l'exterieur du volume ferme (1) capable d'absorber l'energie dissipee dans lequel circule un fluide absorbant la chaleur transmise par la carte. 15 Le volume ferme (1) pourra etre un volume protégé des intrusions. Le volume ouvert (2) pourra etre un volume accessible, pollue, ou non protégé des intrusions. Une portion de l'enveloppe mecanique pourra etre realisee par une portion de la carte de circuit imprime. La carte imprime assure la fonction de separation entre le volume ferule (1) et le 20 volume ouvert (2). La couche de materiau conducteur assure la fonction de cloison entre une zone interne du dispositif, pourvue de composants electroniques et presentant des pistes de circuit imprime sous tension, et une zone externe du dispositif, presentant un environnement pouvant etre pollue, ou accessible par les personnes. 25 On pourra envisager que la couche en materiau conducteur de chaleur supporte mecaniquement l'enveloppe mecanique delimitant le volume ferrite (1). L'enveloppe pourra etre realisee sous la forme d'un capotage (5) fixe sur la carte par des liaisons vissees aux moyens de taraudages amenages dans la couche en materiau conducteur de chaleur de la carte, ou par des elements rapportes sur la carte tels que des inserts sertis 30 ou des bossages colles. La couche en materiau conducteur de chaleur peut assurer la separation entre 1' environnement accessible par les personnes et le volume ferule (1) du dispositif comportant des equipements sous tensions. -3- La couche en materiau conducteur de chaleur de la carte de circuit imprime pourra etre metallique. Le materiau conducteur sera isole electriquement des composants sous tension par une couche isolante (3b). La carte de circuit imprime pourra supporter mecaniquement une portion de l'enveloppe delimitant le volume ferme (1). La carte de circuit imprime pourra supporter mecaniquement d'autres cartes 5 electroniques situdes dans le volume ferme (1). En d'autres termes, la carte dont la base est une couche en materiau conducteur de chaleur sera fide mecaniquement a au moins une carte situ& dans le volume ferme (1) protégé des intrusions. Les cartes pourront etre fides ensemble par le moyen de colonnettes vissees dans des taraudages amenages dans la couche en materiau 10 conducteur de chaleur, ou par des colonnettes serties dans la couche en materiau conducteur de chaleur, ou par un assemblage cone, par exemple par une resine dielectrique. La couche en materiau conducteur de chaleur (3a) de la carte de circuit imprime (3) pourra etre mise en forme par &coupe, usinage, pliage ou emboutissage. 15 Le volume ferme (1) pourra etre rempli de resine dielectrique, dont la peau assurera la fonction d'enveloppe mecanique. En d'autres termes, on pourra envisager que le volume ferme (1) soit rempli par une resine dielectrique appliquee au contact de la carte de circuit imprime (3). La couche de materiau conducteur pourra etre expos& a un fluide en mouvement 20 dans le volume ouvert (2). La couche en materiau conducteur de chaleur (3a) de la carte de circuit imprime (3) pourra etre pourvue de fixations. La structure mecanique du dispositif sera assuree par la couche en materiau conducteur de chaleur. 25 Le materiau conducteur de chaleur pourra etre d'une epaisseur de 1mm ou plus, d'une conductivite thermique de plus de 100W.m-1.K-1, et d'une resistance mecanique superieure a 50MPa. La couche en materiau conducteur de chaleur sera d'une epaisseur, d'un module d'elasticite et d'une resistance mecanique adapt& a sa fonction de cloison. La couche 30 de materiau conducteur sera d'une epaisseur de lmm ou plus pour assurer cette fonction -4- mecanique. La couche en materiau conducteur de chaleur permettra d'assurer une fonction structure au dispositif, notamment de fixation du dispositif sur son support. Un solide conducteur de chaleur pourra etre plaque contre la carte de circuit imprime dans le volume ouvert (2) et assurera la conduction de la chaleur entre la carte de circuit imprime et le fluide absorbant la chaleur. En d'autres termes, la couche de materiau conducteur pourra etre en contact d'un solide dans le volume ouvert (2). Le solide en contact participera a la dissipation thermique en absorbant une partie de l'energie a dissiper. 5 Les dessins annexes presentent l'invention : -La figure 1 represente les couches constituant I' invention. -La figure 2 represente une application de la dite invention dans laquelle la couche en materiau conducteur de chaleur presente un role mecanique de support d'un capotage assurant la fonction d'enveloppe delimitant le volume ferme (1). 10 -La figure 3 represente une application de la dite invention dans laquelle la couche en materiau conducteur de chaleur presente un role mecanique de fixation. -La figure 4 represente une application de la dite invention dans laquelle une carte electronique est Hee mecaniquement a la carte de circuit imprime (3) dans le volume fertile (1). 15 En reference a ces dessins, l' invention comporte une carte de circuit imprime (3) comportant une couche en materiau conducteur de chaleur (3a), supportant notamment au moins un composant electronique (4) soude sur les pistes conductrices du circuit (3c). Les pistes sont isolees de la couche en materiau conducteur de chaleur (3a) du circuit imprime par un substrat isolant (3b). Une partie au moins de la carte de circuit 20 imprime est expos& A un volume ouvert (2) capable d'absorber l'energie dissipee par le ou les composants via la couche en materiau conducteur de chaleur. La transmission de chaleur pourra etre assure par radiation a un fluide assurant le transfert thermique par convection naturelle ou forcee, ou par transmission a un solide assurant le transfert thermique par conduction. 25 La figure 2 illustre une application dans laquelle la couche en materiau conducteur de chaleur pourra supporter un capotage (5) assurant partiellement le role de l'enveloppe mecanique delimitant le volume ferme (1). La couche de materiau conducteur pourra etre en aluminium, permettant une fixation du capotage par des 30 -5- moyens tels que notamment le rivetage, le serrage par vis et trou taraude, par serrage par vis et ecrou, par sertissage ou par collage. La couche en materiau conducteur de chaleur sera de fawn privilegide de l'aluminium, ou du cuivre. Le module d'elasticite de la couche conductrice et la resistance mecanique permettra a cette couche d'assurer la fonction de cloison ou de 5 structure au dispositif. La figure 3 illustre un montage dans lequel l'ensemble du dispositif est fixe sur un support (6) par le biais d'au moins une fixation tel qu'un rivet (7) ou d'un assemblage visse, ou cone ou serti, ou toute autre fixation mecanique. La figure 4 illustre un montage dans lequel au moins une carte electronique (8) est 10 liee mecaniquement a la carte de circuit imprime (3) par le biais d'entretoises. La carte electronique (8) pourra 'etre une carte de pilotage des composants actifs situes sur la carte de circuit imprime (3). La liaison electrique entre les composants de la carte de circuit imprime (3) et la carte electronique (8) sera assuree par des conducteurs notamment des connecteurs carte a carte, ou des fils. La carte electronique (8) est situ& 15 dans le volume ferme (1). L'environnement pourra etre une zone accessible par les personnes. Les composants electroniques sont montes sur une face expos& au volume ferme (1) par une enveloppe mecanique. La carte de circuit imprime assure le transfert thermique et en partie la fonction d'enveloppe mecanique delimitant le volume ferme (1). 20 Contrairement a Part anterieur qui consiste a monter les circuits imprimes dans un boitier assurant le role de protection a l'environnement, et d'organiser le transfert thermique depuis les composants electroniques vers l'exterieur du boitier par une ventilation ou un chemin de transfert thermique organise avec des pieces rapportees, le present dispositif reduit les composants en utilisant la couche en materiau conducteur de 25 chaleur a la fois comme une cloison mecanique entre 2 volumes, et comme un moyen de transferer l'energie dissipee par les composants vers un des deux volumes, typiquement un volume pollue mais capable d'absorber l'energie. L'invention est particulierement adapt& aux cartes electroniques de puissance embarquees. Le dit dispositif optimise le transfert thermique de l'energie dissipee 30 habituellement en electronique de puissance, tout en reduisant le nombre de piece du systeme, REVENDICATIONS: 1) Dispositif electronique comportant une carte de circuit imprime dont la base est une couche en materiau conducteur de chaleur et pourvu de composants electroniques et de pistes situes dans un volume ferme (1) delimite par une enveloppe mecanique et caracterise en ce : au moins un composant dissipe une energie sous forme de chaleur transmise majoritairement a la couche en materiau conducteur de chaleur ; et une portion d'au moins une face de la carte de circuit imprime soit expos& a un volume ouvert (2) situe a l'exterieur du volume ferme (1) dans lequel circule un fluide absorbant la chaleur transmise par la carte. 2) dispositif selon la revendication 1 caracterise en ce que une portion de l'enveloppe mecanique soit realisee par une portion de la carte de circuit imprime, 3) dispositif selon la revendication 1 caracterise en ce que la couche en materiau conducteur de chaleur de la carte de circuit imprime soit metallique 4) dispositif selon la revendication 1 caracterise en ce que la carte de circuit imprime supporte mecaniquement une portion de l'enveloppe delimitant le volume ferme (1). 5) dispositif selon la revendication 1 caracterise en ce que la carte de circuit imprime supporte mecaniquement d'autres cartes electroniques situees dans le volume ferme (1). 6) Dispositif selon la revendication 1 caracterise en ce que la couche en materiau conducteur de chaleur de la carte de circuit imprime est mise en forme par &coupe, usinage, pliage ou emboutissage. 7) Dispositif selon la revendication 1 caracterise en ce que le volume fertile (1) soit rempli de resin dielectrique, dont la peau assure la fonction d'enveloppe mecanique. 8) Dispositif selon la revendication 1 et caracterise en ce que la couche en materiau conducteur de chaleur de la carte de circuit imprime soit pourvue de fixations. 9) Dispositif selon la revendication 1 caracterise en ce qu'un solide conducteur de chaleur est plaque contre la carte de circuit imprime dans le volume ouvert (2) et assure la conduction de la chaleur entre la carte de circuit imprime et le fluide absorbant la chaleur.