Brevet FR3136110A1 — publié le 20231201

L’invention concerne une pièce de drainage thermique (40) réalisée en un matériau thermiquement conducteur et destinée à connecter thermiquement un capteur optoélectronique (10) à un berceau (30) rigide refroidi par des moyens de refroidissement externes ; le capteur optoélectronique (10) étant monté sur un circuit imprimé (20) ; le berceau présentant au moins un bossage de fixation (32) et une ouverture (31) destinée à loger le capteur optoélectronique (10) ; ladite pièce de drainage thermique (40) comprenant : une base (41) destinée à être mise en contact thermique avec au moins un bossage de fixation (32) du berceau ; une protubérance (42) destinée à être mise en contact thermique avec une face inférieure du capteur optoélectronique (10) à travers un trou traversant le circuit imprimé (20). Figure pour l’abrégé : Fig. 1b Pièce de drainage thermique d’un module électronique 3D Champ d’application La présente invention concerne le domaine des modules optoélectroniques 3D d’imagerie, en particulier d’imagerie spatiale. Plus particulièrement, l’invention concerne la gestion thermique d’un capteur d’image utilisé dans le cadre d’applications spatiales, qu’elles soient scientifiques ou industrielles. Problème soulevé Dans l’industrie spatiale il est souhaitable de miniaturiser les modules optoélectroniques d’imagerie tout en utilisant des capteurs optoélectroniques plus performants ayant une plus grande résolution. Dans le contexte de l’imagerie spatiale le maintien du capteur d’image à une température basse et stable est nécessaire pour assurer son bon fonctionnement. Les performances d’un capteur optoélectronique se dégradent drastiquement lorsque la température augmente. Le courant d’obscurité augmente et ainsi le noir devient gris lors de la détection. Cela est problématique dans des applications spatiales pour lesquelles le noir est prédominant sur la majorité des images. Cette problématique est amplifiée par l’utilisation de capteurs ayant de plus en plus de résolution. L’augmentation de la résolution induit une augmentation de la consommation électrique pour une même technologie du capteur et donc le capteur dissipe plus de chaleur lors de son fonctionnement. Ainsi pour un fonctionnement dans des conditions de faible luminosité, la réduction du bruit thermique dans les imageurs est fondamentale. On entend par « bruit thermique » un bruit généré par l’agitation thermique des porteurs de charges. Un problème à résoudre dans ce contexte consiste à maintenir une basse température d’un capteur optoélectronique dans un module électronique 3D pour une application spatiale. Un objectif général est d’assurer une basse température de fonctionnement pour un capteur optoélectronique afin de réduire le bruit thermique, et ainsi le courant d’obscurité. Cela permet d’améliorer la qualité des images. Art antérieur/ Restrictions de l’état de l’art Les solutions utilisées actuellement pour refroidir les capteurs sont l’addition d’un échangeur thermique de type Peltier et un radiateur pour dissiper la chaleur. Cependant, ce type de solution présente un coût élevé. De plus, la mise en œuvre de cette solution et son implémentation restent complexes. En effet, la surface dédiée à l’échange thermique dans le capteur n’est pas facilement accessible pour installer un tel dispositif dans un module électronique 3D. Ainsi, l’implémentation d’un échangeur thermique se fait au détriment de la compacité du module 3D. Le brevet européen EP3340303B1 illustre un module électronique 3D comprenant un capteur optoélectronique et un berceau rigide thermiquement conducteur sous forme d’un cadre délimitant une ouverture qui loge ledit capteur. Le berceau est refroidi passivement et joue le rôle de masse thermique. Cependant, la surface de contact entre le berceau et le capteur est limitée à la périphérie du capteur. Cela augmente la résistance thermique entre le capteur et le berceau et limite la surface d’échange thermique. Réponse au problème et apport solution Pour pallier aux limitations des solutions existantes en ce qui concerne l’amélioration de la dissipation thermique du capteur optoélectronique intégré dans un module électronique 3D, l’invention propose une pièce de drainage thermique faiblement couteuse, simple à implémenter et compatible avec une structure tridimensionnelle d’un module électronique. La pièce de drainage thermique permet de réduire la résistance thermique de 4°C/W par rapport à la solution du brevet européen EP3340303B1 (3°C/W au lieu de 7°C/W). La pièce de drainage selon l’invention permet de maximiser la surface d’échange thermique entre le capteur et le berceau quelque soit la manière dont le capteur est reporté dans le berceau. De plus, l’invention propose un module électronique 3D dans lequel la pièce de drainage selon l’invention est implémentée de manière à créer un circuit thermique reliant le capteur à une interface refroidie par des moyens externes. De plus, l’invention présente un procédé de fabrication du module électronique 3D selon l’invention. La solution selon l’invention permet d’améliorer la qualité des images dans un environnement à faible luminosité en réduisant le bruit thermique dans le capteur. La réduction du bruit thermique est réalisée par réduction de la résistance thermique entre le capteur et la masse thermique du module. La réduction de la résistance thermique entre le capteur et la masse thermique du module est réalisée par augmentation de la surface d’échange thermique entre le capteur et la masse thermique du module. La solution permet de contrôler plus efficacement la température du capteur, permettant ainsi de le maintenir à une basse température sans perdre en termes de compacité du module 3D. De plus, la pièce de drainage selon l’invention permet de réduire les couts de fabrication et d’assemblage par rapport aux solutions de l’état de l’art. De plus, la solution selon l’invention est compatible avec tout capteur optique disposant d’une surface libre dans sa matrice de connectique de type LGA (acronyme de l’expression anglaise Land Grid Array), BGA (acronyme de l’expression anglaise Ball Grid Array), CGA (acronyme de l’expression anglaise Column Grid Array) ou PGA (acronyme de l’expression anglaise Pin Grid Array). Résumé /Revendications L’invention a pour objet une pièce de drainage thermique réalisée en un matériau thermiquement conducteur et destinée à connecter thermiquement un capteur optoélectronique à un berceau rigide refroidi par des moyens de refroidissement externes. Le capteur optoélectronique étant monté sur un circuit imprimé; le berceau présentant au moins un bossage de fixation et une ouverture destinée à loger le capteur optoélectronique. Ladite pièce de drainage thermique comprenant : une base destinée à être mise en contact thermique avec au moins un bossage de fixation du berceau ; une protubérance destinée à être mise en contact thermique avec une face inférieure du capteur optoélectronique à travers un trou traversant le circuit imprimé et passant à travers un trou du circuit imprimé. Selon un aspect particulier de l’invention, la base est composée d’un ou plusieurs bras solidaires. Selon un aspect particulier de l’invention, les bras sont coplanaires selon un premier plan. Selon un aspect particulier de l’invention, les bras sont solidaires via une surface d’intersection centrale commune. Selon un aspect particulier de l’invention, la protubérance s’étend depuis la surface d’intersection centrale. Selon un aspect particulier de l’invention, les bras sont solidaires via une pièce mécanique de fixation sous forme de cadre ou d’anneau reliant les bras entre eux. Selon un aspect particulier de l’invention, la protubérance s’étend depuis la pièce mécanique de fixation. Selon un aspect particulier de l’invention, la protubérance présente une première surface supérieure plane. Selon un aspect particulier de l’invention, chaque bras comprend au moins une extrémité présentant une seconde surface supérieure destinée à être collée à la base du bossage de fixation associée. Selon un aspect particulier de l’invention, chaque bras comprend au moins une extrémité ayant une forme complémentaire à celle de la surface latérale du bossage de fixation associée. L’invention a également pour objet un module électronique 3D comprenant : un capteur optoélectronique monté sur un circuit imprimé, un berceau rigide refroidi par des moyens de refroidissement externes ; le berceau présentant une ouverture centrale destinée à loger le capteur optoélectronique et présentant au moins un bossage de fixation, une pièce de drainage thermique selon l’invention. Selon un aspect particulier de l’invention, le capteur optoélectronique comporte un boîtier dans lequel est logée une puce photosensible à face active plane, avec sur la face opposée du boitier des broches de connexion électrique connectées au circuit imprimé à travers l’ouverture du berceau. Selon un aspect particulier de l’invention, la hauteur de la protubérance est choisie de manière à obtenir un volume d’espace vide entre la base et le circuit imprimé. Selon un aspect particulier de l’invention, le capteur est moulé dans une résine en époxy. L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’un module électronique 3D selon l’invention comprenant les étapes suivantes : fixer le capteur optoélectronique au berceau par collage sur les bords de l’ouverture centrale à l’aide d’une colle thermiquement conductrice. percer le circuit imprimé pour réaliser des trous alignés avec les bossages de fixation du berceau et la protubérance de la pièce de drainage. Assembler l’ensemble formé par le capteur optoélectronique et le berceau au circuit imprimé après insertion des bossages de fixation dans les trous dédiés. Assembler l’ensemble formé par le capteur optoélectronique, le berceau et circuit imprimé à la pièce de drainage thermique par insertion de la protubérance dans le trou dédié et par collage des extrémités de la base aux bossages d’appui à l’aide d’une colle thermiquement conductrice. Selon un aspect particulier de l’invention, le procédé comprend en outre une étape de moulage capteur optoélectronique dans une résine en époxy après l’étape de fixation i). Pièce de drainage thermique (40) réalisée en un matériau thermiquement conducteur et destinée à connecter thermiquement un capteur optoélectronique (10) à un berceau (30) rigide refroidi par des moyens de refroidissement externes ; le capteur optoélectronique (10) étant monté sur un circuit imprimé (20) ; le berceau présentant au moins un bossage de fixation (32) et une ouverture (31) destinée à loger le capteur optoélectronique (10) ; ladite pièce de drainage thermique (40) comprenant : une base (41) destinée à être mise en contact thermique avec au moins un bossage de fixation (32) du berceau ; une protubérance (42) destinée à être mise en contact thermique avec une face inférieure du capteur optoélectronique (10) à travers un trou traversant le circuit imprimé (20). Pièce de drainage thermique (40) selon la revendication 1 dans laquelle la base (41) est composée d’un ou plusieurs bras (411, 412) solidaires. Pièce de drainage thermique (40) selon la revendication 2 dans laquelle les bras (411, 412) sont coplanaires selon un premier plan (P1) . Pièce de drainage thermique (40) selon la revendication 3 dans laquelle les bras (411, 412) sont solidaires via une surface d’intersection centrale (S0) commune. Pièce de drainage thermique (40) selon la revendication 4 dans laquelle la protubérance (42) s’étend depuis la surface d’intersection centrale. Pièce de drainage thermique (40) selon l’une quelconque des revendications 2 à 5 dans laquelle les bras (411, 412) sont solidaires via une pièce mécanique de fixation (43) sous forme de cadre ou d’anneau reliant les bras (411, 412) entre eux. Pièce de drainage thermique (40) selon la revendication 6 dans laquelle la protubérance (42) s’étend depuis la pièce mécanique de fixation (43). Pièce de drainage thermique (40) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 dans laquelle la protubérance (42) présente une première surface supérieure plane. Pièce de drainage thermique (40) selon l’une quelconque des revendications 2 à 8 dans laquelle chaque bras (411,412) comprend au moins une extrémité présentant une seconde surface supérieure destinée à être collée à la base du bossage de fixation associée. Pièce de drainage thermique (40) selon l’une quelconque des revendications 2 à 8 dans laquelle chaque bras (411,412) comprend au moins une extrémité ayant une forme complémentaire à celle de la surface latérale du bossage de fixation associée. Module électronique 3D (1) comprenant : un capteur optoélectronique (10) monté sur un circuit imprimé (20) un berceau (30) rigide refroidi par des moyens de refroidissement externes ; le berceau présentant une ouverture centrale (31) destinée à loger le capteur optoélectronique et présentant au moins un bossage de fixation (32), une pièce de drainage thermique (40) selon l’une quelconque des revendications précédentes. Module électronique 3D (1) selon la revendication 11 dans lequel le capteur optoélectronique (10) comporte un boîtier (101) dans lequel est logée une puce (102) photosensible à face active plane, avec sur la face opposée du boitier (101) des broches (103) de connexion électrique connectées au circuit imprimé (20) à travers l’ouverture (31). Module électronique 3D (1) selon l’une quelconque des revendications 11 à 12 dans lequel la hauteur de la protubérance est choisie de manière à obtenir un volume d’espace vide (V0) entre la base (41) et le circuit imprimé (20). Module électronique 3D (1) selon l’une quelconque des revendications 11 ou 13 dans lequel le capteur (10) est moulé dans une résine en époxy. Procédé de fabrication (P1) d’un module électronique 3D (1) selon l’une quelconque des revendications 11 à 14 comprenant les étapes suivantes : fixer le capteur optoélectronique (10) au berceau (30) par collage sur les bords de l’ouverture centrale (31) à l’aide d’une colle thermiquement conductrice. percer le circuit imprimé (20) pour réaliser des trous alignés avec les bossages de fixation (32) du berceau et la protubérance de la pièce de drainage. Assembler l’ensemble formé par le capteur optoélectronique (10) et le berceau (30) au circuit imprimé (20) après insertion des bossages de fixation (32) dans les trous dédiés. Assembler l’ensemble formé par le capteur optoélectronique (10), le berceau (30) et circuit imprimé (20) à la pièce de drainage thermique par insertion de la protubérance (32) dans le trou dédié et par collage des extrémités de la base (41) aux bossages d’appui (32) à l’aide d’une colle thermiquement conductrice. Procédé de fabrication (P1) selon la revendication précédente pour réaliser un module électronique 3D selon la revendication 14 comprenant en outre une étape de moulage capteur optoélectronique (10) dans une résine en époxy après l’étape de fixation i).