Brevet FR3148349A1 — publié le 20241101

L’invention concerne un ensemble électronique (10) comportant : - une carte à circuit imprimé (50) ; - un composant électronique (20), monté sur la carte à circuit imprimé ; - une tôle de métal (40) montée sur la carte à circuit imprimé, dans laquelle est formée une cavité (30), le composant électronique étant logé dans la cavité et entre la carte à circuit imprimé et la tôle de métal, la cavité étant remplie d’un matériau d’interface (300). - une plaque d’obturation (80) montée sur la tôle de métal, et maintenue espacée de la tôle de métal en regard du composant électronique et de la cavité de manière à former un canal de circulation (70) configuré pour admettre un liquide réfrigérant. L’invention concerne également un boîtier (5) comportant l’ensemble électronique. L’invention concerne également un procédé de fabrication de l’ensemble électronique. Figure de l’abrégé : Fig. 1 ENSEMBLE ELECTRONIQUE POUR VEHICULE AUTOMOBILE A PLAQUE FROIDE AVEC TOLE DE METAL EMBOUTIE L’invention porte sur le domaine des boîtiers électroniques, notamment pour le domaine de l’électronique de puissance, et en particulier ceux comportant un composant électronique, et un système de refroidissement du composant électronique. Un tel boîtier électronique peut être mis en œuvre dans un véhicule automobile. On connaît, pour refroidir un composant d’électronique de puissance que comporte un boîtier électronique, une technologie dite à refroidissement liquide, dans laquelle un (unique) liquide réfrigérant circule dans une plaque dite « plaque froide » (en anglais « cold plate »). Dans cette plaque froide, le composant d’électronique de puissance est disposé contre une tôle de métal (en anglais « sheet metal »), sensiblement plane. Un échange thermique ayant pour effet un refroidissement du composant d’électronique de puissance s’effectue alors dans un canal de refroidissement (en anglais « cooling channel ») par friction entre le liquide réfrigérant et la tôle de métal. On connaît également une technologie à dissipateur mettant en œuvre une structure métallique à ailettes (en anglais « fins »), ou à picots (en anglais « pins »). La structure à ailettes ou à picots est formée par fonderie ou moulage sous pression (en anglais « die casting »), ces éléments étant pleins. Dans la technologie à dissipateur, la surface d’échange est augmentée grâce aux ailettes, ou aux picots, et l’échange thermique est performant car ces éléments sont placés en vis-à-vis du parcours du fluide. Cependant, cette technologie est chère et épaisse (donc lourde). Dans la technologie mettant en œuvre une tôle de métal, le procédé de fabrication est plus simple et économique, cependant le relief de la structure que l’on peut obtenir par emboutissage est bien moins marqué que dans la fabrication par moulage sous pressions. En effet, la quantité de métal à déformer restant sensiblement constante dans une direction d’emboutissage, les éventuel(le)s ailettes ou picots obtenus sont évidés. L’échange thermique par friction est alors moins efficace que dans la technologie à dissipateur à surface d’échange augmentée et comportant des ailettes ou des picots pleins. Un problème d’efficacité du refroidissement se pose dans certains montages exigeants (refroidissement de MOSFET à refroidissement par le haut [en anglais « top-cooled transistors »], de transistors IGBT, de diodes), pour lesquels la densité de puissance thermique à dissiper est importante, à savoir plus de 10 W/cm 2 . Augmenter l’échange thermique avec la tôle de métal impliquerait d’introduire des contraintes de processus supplémentaires (brasage d’une pièce supplémentaire telle qu’un ensemble de zigzags, connu sous le nom de « turbulator » en langue anglaise, par exemple). Un objectif de l’invention est de résoudre les inconvénients de l’art antérieur, notamment d’améliorer l’efficacité de refroidissement de la technologie à plaque froide à tôle métallique, de proposer une solution économique, peu épaisse et de masse réduite. Pour atteindre cet objectif, l’invention propose un ensemble électronique comportant : - une carte à circuit imprimé ; - un composant électronique, notamment un composant électronique de puissance, monté sur la carte à circuit imprimé ; - une tôle de métal montée sur la carte à circuit imprimé, une cavité étant formée dans la tôle de métal, le composant électronique étant logé dans la cavité et entre la carte à circuit imprimé et la tôle de métal, la cavité étant remplie d’un matériau d’interface, le matériau d’interface étant une pâte thermique ; - une plaque d’obturation montée sur la tôle de métal, la plaque d’obturation étant maintenue au moins localement espacée de la tôle de métal en regard du composant électronique et de la cavité de manière à former un canal de circulation configuré pour admettre un liquide réfrigérant. Avantageusement, l’invention permet de combiner dans une même structure la technologie à refroidissement liquide comportant une tôle de métal, facile et économique à produire, et la technologie à augmentation de surface d’échange de chaleur, efficace thermiquement. Selon une variante particulière, le composant électronique peut être un MOSFET, un IGBT, une diode, un transistor de type GaN ou un transistor de type SiC. Selon une variante particulière, dans la cavité dans laquelle le composant électronique est logé, un interstice peut être formé entre le composant électronique et la tôle de métal, l’interstice étant rempli dudit matériau d’interface. Une telle configuration permet une bonne conductivité thermique. Selon une variante particulière, l’interstice peut être formé sur un côté du composant électronique opposé à la carte à circuit imprimé, et sur au moins un côté latéral du composant électronique transversal à la carte à circuit imprimé, de préférence à la fois sur un côté du composant électronique opposé à la carte à circuit imprimé et sur l’ensemble des côtés latéraux du composant électronique transversaux à la carte à circuit imprimé. Une telle configuration permet d’optimiser encore la conductivité thermique, notamment lorsque l’interstice est formé à la fois sur un côté du composant électronique opposé à la carte à circuit imprimé et sur l’ensemble des côtés latéraux du composant électronique transversaux à la carte à circuit imprimé. Selon une variante particulière : - une longueur maximale de la cavité dans un plan d’extension général de la tôle de métal peut être comprise entre 5 et 25 mm ; et/ou - une distance entre un côté du composant électronique opposé à la carte à circuit imprimé et un fond de la cavité peut être inférieure à 1mm. Selon une variante particulière, une hauteur du canal de circulation dans une direction perpendiculaire au plan d’extension général de la tôle de métal peut être comprise entre 5 et 10mm. Selon une variante particulière, une hauteur d’un bossage dans lequel est formée la cavité est comprise entre 0,8 et 1,2 fois une hauteur d’un corps du composant électronique logé dans la cavité. Selon une variante particulière, l’ensemble électronique comporte au moins quatre composants électroniques, qui peuvent notamment être des composants électroniques de puissance, au moins quatre cavités correspondant aux au moins quatre composants électroniques étant formées sur la tôle de métal, un composant électronique étant respectivement logé dans chaque cavité, les au moins quatre cavités étant réparties selon une trame en parallélépipède non rectangle. Une telle configuration permet d’optimiser le refroidissement tout en offrant une répartition dense des composants. Selon une variante particulière, la pâte thermique est une résine époxy, un silicone ou une mousse polymère souple compressible. Selon une variante particulière, le matériau d’interface comporte un isolant électrique. L’isolant électrique est, par exemple, un adhésif pré-plié, un traitement de surface ou un laquage pulvérisé. L’invention peut également porter sur un boîtier comportant un ensemble électronique tel que précité. L’invention peut également porter sur un procédé de fabrication d’un ensemble électronique tel que précité, comportant les étapes de : - emboutissage d’une tôle de métal pour former au moins une cavité ; - remplissage de la cavité avec le matériau d’interface ; - montage d’un composant électronique, notamment un composant électronique de puissance, sur une carte à circuit imprimé pour former un sous-ensemble à circuit imprimé ; - assemblage du sous-ensemble à circuit imprimé avec la tôle de métal en insérant le composant électronique dans la cavité en contact avec le matériau d’interface. Un tel procédé permet d’obtenir un ensemble électronique à moindre coût, de masse réduite et présentant une bonne efficacité de refroidissement. L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, dans lesquelles : illustre schématiquement en coupe longitudinale un ensemble électronique selon l’invention ; est une vue de dessus d’une structure d’un mode de réalisation particulier de l’ensemble électronique à répartition étagée, ou en quinconce, des composants ; est un diagramme bloc illustrant les étapes d’un procédé de fabrication de l’ensemble électronique de la ; illustre schématiquement un autre mode de réalisation particulier de l’invention. En , un boîtier 5 comportant un ensemble électronique 10 est illustré. Le boîtier 5 et/ou l’ensemble électronique 10 peuvent être mis en œuvre, non limitativement, dans un véhicule automobile. L’ensemble électronique 10 comporte : - une carte à circuit imprimé 50, ci-après nommée carte 50 ; - un composant électronique 20, de préférence mais non limitativement un composant électronique de puissance 20, monté sur la carte 50 ; - une tôle de métal 40, ci-après nommée tôle 40, montée sur la carte 50 et dans laquelle une cavité 30 est formée, le composant 20 étant logé dans la cavité 30 et entre la carte 50 et la tôle 40, la cavité 30 étant remplie d’un matériau d’interface 300. - une plaque d’obturation 80 montée sur la tôle 40, la plaque d’obturation 80 étant maintenue au moins localement espacée de la tôle 40 en regard du composant 20 et de la cavité 30 de manière à former un canal de circulation 70 configuré pour admettre un liquide réfrigérant. Le composant 20 peut être un MOSFET, un IGBT, une diode, un transistor de type GaN ou un transistor de type SiC, c’est-à-dire en particulier des transistors à refroidissement par le haut. Dans une alternative, l’ensemble électronique 10 comporte un assemblage de composants électroniques 20 choisis parmi un MOSFET, un IGBT, une diode, un transistor de type GaN ou un transistor de type SiC. Dans la cavité 30 dans laquelle le composant 20 est logé, un interstice 31 est formé entre le composant 20 et la tôle 40 et rempli du matériau d’interface 300. L’interstice 31 est ici formé à la fois sur un côté du composant 20 opposé à la carte 50 et sur l’ensemble des côtés latéraux du composant 20 transversaux à la carte 50. De préférence : - une longueur maximale A de la cavité 30 dans un plan d’extension général P1 de la tôle 40 est comprise entre 5 et 25 mm ; et - une distance C entre un côté du composant électronique 20 opposé à la carte 50 et un fond de la cavité 30 est inférieure à 1mm ; - une hauteur B du canal de circulation 70 dans une direction perpendiculaire au plan d’extension général P1 de la tôle 40 est comprise entre 5 et 10mm ; - une hauteur E d’un bossage 60 (par exemple une ailette ou un picot) dans lequel est formé la cavité 30 est comprise entre 0,8 et 1,2 fois une hauteur D d’un corps du composant 20 logé dans la cavité 30. Le matériau d’interface 300 est choisi parmi une pâte thermique, un isolant électrique, une résine époxy et un silicone. Dans un mode de réalisation particulier, non limitativement, l’ensemble électronique 10 comporte une pluralité de (c’est-à-dire au moins quatre de chacun des éléments suivants) composants 20, de cavités 30, correspondant aux composants 20, formées sur la tôle 40, logeant chacune respectivement un composant 20, et réparties selon une trame en parallélépipède non rectangle, ou rhomboïde, de préférence en quinconce ( ). Dans une telle trame, les bossages 60 (et donc cavités 30, et composants 20) peuvent être répartis à la fois en rangs 61 1 , 61 2 et 61 3 (respectivement en colonnes 62 1 , 62 2 et 62 3 ) et alignés au sein d’un même rang selon des axes L1, L2, L3, (respectivement alignés au sein d’une même colonne selon des axes H1, H2, H3), en alternance un rang (resp. colonne) sur deux. Deux bossages 60 consécutifs au sein d’un même rang (resp. colonne) sont alors disposés un axe sur deux (par exemple sur L1, L3, etc.), c’est-à-dire sur les rangs (resp. colonnes) d’indice soit pair, soit impair. Une telle disposition optimise la circulation du réfrigérant et l’efficacité du refroidissement. Dans un mode de réalisation alternatif de l’invention, tel qu’illustré sur la , il est mis en œuvre un ensemble électronique 110 comportant en vis-à-vis une première carte à circuit imprimé 151 et une seconde carte à circuit imprimé 152, comme décrit dans les modes de réalisation précédents, chacune comportant un ou plusieurs composants électroniques et une tôle de métal. Les tôles de métal forment un canal 170 configuré pour admettre un liquide réfrigérant. La première carte à circuit 151 imprimé présente, au moins, un premier bossage 161 et un deuxième bossage 162. La seconde carte à circuit imprimé 152 présente, au moins, un bossage 163 disposé entre le premier bossage 161 et le deuxième bossage 162 de la première carte à circuit imprimé 151. L’ensemble électronique 10 peut être produit au moyen d’un procédé E100 de fabrication comportant les étapes de : - emboutissage E110 d’une tôle 40 pour former au moins un bossage 60, de préférence une ailette ou un picot, présentant une cavité 30 ; - remplissage E120 de la cavité 30 avec le matériau d’interface 300 ; - montage E130 d’un composant 20 sur une carte 50 pour former un sous-ensemble à circuit imprimé 15 ; - assemblage E140 du sous-ensemble 15 avec la tôle 40 en insérant le composant 20 dans la cavité 30 en contact avec le matériau d’interface 300. Ensemble électronique (10) comportant : - une carte à circuit imprimé (50) ; - un composant électronique (20), notamment un composant électronique de puissance (20), monté sur la carte à circuit imprimé (50) ; - une tôle de métal (40) montée sur la carte à circuit imprimé (50), une cavité (30) étant formée dans la tôle de métal (40), le composant électronique (20) étant logé dans la cavité (30) et entre la carte à circuit imprimé (50) et la tôle de métal (40), la cavité (30) étant remplie d’un matériau d’interface (300), le matériau d’interface (300) étant une pâte thermique ; - une plaque d’obturation (80) montée sur la tôle de métal (40), la plaque d’obturation (80) étant maintenue au moins localement espacée de la tôle de métal (40) en regard du composant électronique (20) et de la cavité (30) de manière à former un canal de circulation (70) configuré pour admettre un liquide réfrigérant. Ensemble électronique (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant électronique (20) est un MOSFET, un IGBT, une diode, un transistor de type GaN ou un transistor de type SiC. Ensemble électronique (10) selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, dans la cavité (30) dans laquelle le composant électronique (20) est logé, un interstice (31) est formé entre le composant électronique (20) et la tôle de métal (40), l’interstice (31) étant rempli dudit matériau d’interface (300). Ensemble électronique (10) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l’interstice (31) est formé sur un côté du composant électronique (20) opposé à la carte à circuit imprimé (50), et sur au moins un côté latéral du composant électronique (20) transversal à la carte à circuit imprimé (50), de préférence à la fois sur un côté du composant électronique (20) opposé à la carte à circuit imprimé (50) et sur l’ensemble des côtés latéraux du composant électronique (20) transversaux à la carte à circuit imprimé (50). Ensemble électronique (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que : - une longueur maximale (A) de la cavité (30) dans un plan d’extension général (P1) de la tôle de métal (40) est comprise entre 5 et 25 mm ; et/ou - une distance (C) entre un côté du composant électronique (20) opposé à la carte à circuit imprimé (50) et un fond de la cavité (30) est inférieure à 1mm. Ensemble électronique (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’une hauteur (B) du canal de circulation (70) dans une direction perpendiculaire au plan d’extension général (P1) de la tôle de métal (40) est comprise entre 5 et 10mm. Ensemble électronique (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’une hauteur (E) d’un bossage (60) dans lequel est formée la cavité (30) est comprise entre 0,8 et 1,2 fois une hauteur (D) d’un corps du composant électronique (20) logé dans la cavité (30). Ensemble électronique (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l’ensemble électronique (10) comporte au moins quatre composants électroniques (20), qui peuvent notamment être des composants électroniques de puissance (20), au moins quatre cavités (30) correspondant aux au moins quatre composants électroniques (20) étant formées sur la tôle de métal (40), un composant électronique (20) étant respectivement logé dans chaque cavité (30), les au moins quatre cavités (30) étant réparties selon une trame en parallélépipède non rectangle. Ensemble électronique (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la pâte thermique est une résine époxy, un silicone ou une mousse polymère souple compressible. Ensemble électronique (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le matériau d’interface (300) comporte un isolant électrique. Boîtier (5) comportant un ensemble électronique (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10. Procédé (E100) de fabrication d’un ensemble électronique selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, comportant les étapes de : - emboutissage (E110) d’une tôle de métal (40) pour former au moins une cavité (30) ; - remplissage (E120) de la cavité (30) avec le matériau d’interface (300) ; - montage (E130) d’un composant électronique (20), notamment un composant électronique de puissance (20), sur une carte à circuit imprimé (50) pour former un sous-ensemble à circuit imprimé (15) ; - assemblage (E140) du sous-ensemble à circuit imprimé (15) avec la tôle de métal (40) en insérant le composant électronique (20) dans la cavité (30) en contact avec le matériau d’interface (300).