Brevet FR3145235A1 — publié le 20240726

Dispositif électronique comportant, d'une part, un assemblage de composants (2) de type semi-conducteurs et, d'autre part, un dissipateur (6) de chaleur présentant des ailettes (14) de refroidissement avec au moins un éjecteur (16). Les éjecteurs (16) présentent une forme allongée le long d’un axe longitudinal. Au moins deux composants (2) de type semi-conducteurs sont disposés à chaque fois sur un axe longitudinal d’un éjecteur (16). Figure de l’abrégé : Figure 2 Assemblage de semi-conducteurs et dissipateur de chaleur obtenu par fonderie associé La présente divulgation concerne un dispositif électronique et son dissipateur de chaleur obtenu par fonderie, par exemple par moulage sous pression. Le domaine technique de la présente divulgation est la réalisation de dispositifs mettant en œuvre des semi-conducteurs pour la gestion d’équipements d’électronique de puissance. Pour le bon fonctionnement des semi-conducteurs et/ou autres composants utilisés dans ces dispositifs, il convient de prévoir un système de refroidissement pour dissiper la chaleur dégagée notamment au niveau des semi-conducteurs. Ces semi-conducteurs sont par exemple des diodes ou des transistors par exemple de type IGBT ou MOSFET. La présente divulgation concerne plus particulièrement mais pas exclusivement des applications embarquées, pour l’industrie automobile par exemple. Dans ce domaine, une problématique permanente est de réaliser des dispositifs compacts, si possible légers, sans toutefois sacrifier les performances, bien au contraire. Pour dissiper la chaleur se dégageant d’un dispositif électronique, il est connu d’utiliser un dissipateur comportant une base en contact thermique avec le dispositif électronique et de laquelle s’étendent un grand nombre d’ailettes. Pour des formes relativement simples de dissipateur, ce dernier peut être réalisé par extrusion. Il présente alors une forme profilée. Pour des formes plus complexes, adaptées à la forme du dispositif électronique, il est connu d’utiliser des procédés de fonderie, le plus souvent par moulage sous pression, pour réaliser des dissipateurs. Avec ce procédé de réalisation, le dissipateur obtenu comporte des éjecteurs sensiblement cylindriques disposés au niveau d’ailettes, chaque éjecteur venant en saillie de part et d’autre d’une ailette dans l’espace libre entre les ailettes destiné à la circulation de l’air de refroidissement. Ces éjecteurs créent ainsi des pertes de charge pour le flux d’air de refroidissement circulant entre les ailettes du dissipateur et diminuent globalement les performances du dissipateur (par rapport à un dissipateur de forme similaire, sans éjecteurs). Le refroidissement des composants dans un montage électronique se fait habituellement par un dissipateur de chaleur disposé comme une semelle en dessous d’un support sur lequel sont montés les composants. Ce support est le plus souvent une carte de circuit électronique imprimée, appelée en anglais Printed Circuit Board PCB. La chaleur dégagée traverse alors le support et des ponts thermiques, par exemple des vias, sont alors avantageusement prévus dans le support. Un tel refroidissement est appelé refroidissement par le bas (ou « bottom cooled » en anglais). Il est aussi connu de réaliser le refroidissement des composants dans un montage électronique par le côté supérieur du dispositif, c’est-à-dire du côté opposé au support sur lequel sont montés les composants. Dans cette configuration, les composants se retrouvent entre leur support et un dissipateur de chaleur. Cette configuration permet d’éviter à transférer la chaleur à dissiper au travers du support. La présente divulgation a pour but de fournir un dispositif électronique avec des composants de type semi-conducteurs à refroidir associé à un dissipateur obtenu par fonderie présentant des caractéristiques de refroidissement améliorées. Résumé L’idée originale à la base de la présente divulgation est de venir faire coïncider les composants à refroidir avec les éjecteurs venant de fonderie dans le dissipateur de chaleur. Il a été constaté que cette configuration originale permettait d’améliorer l’efficacité du transfert de chaleur vers le dissipateur. La présente divulgation concerne ainsi un dispositif électronique comportant, d'une part, un assemblage de composants de type semi-conducteurs et, d'autre part, un dissipateur de chaleur présentant des ailettes de refroidissement avec au moins un éjecteur. Selon la présente divulgation, les éjecteurs présentent une forme allongée le long d’un axe longitudinal, et au moins deux composants de type semi-conducteurs sont disposés à chaque fois sur un axe longitudinal d’un éjecteur. Dans un dispositif tel que présenté ci-dessus, les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en œuvre, indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : Dans un tel dispositif électronique, on préfère que la majorité des composants de type semi-conducteurs soient disposés sur un axe longitudinal d’un éjecteur ; de manière encore préférée, la majorité des composants de type semi-conducteurs sont sensiblement centrés sur un axe longitudinal d’un éjecteur. Selon une première forme de réalisation, les ailettes sont sensiblement planes et parallèles, et deux éjecteurs correspondant à deux ailettes voisines sont décalés, c’est-à-dire ne sont pas en vis-à-vis par rapport au plan des ailettes considérées ; une variante avantageuse prévoit ici qu’à proximité d’un éjecteur, une ailette voisine de l’ailette associée audit éjecteur présente une ondulation avec une zone concave disposée en vis-à-vis dudit éjecteur. Selon une deuxième forme de réalisation, il est prévu qu’à proximité d’un éjecteur, une ailette voisine de l’ailette associée audit éjecteur présente une ouverture en vis-à vis dudit éjecteur sur toute la hauteur de celui-ci. Selon une variante, l’ouverture de l’ailette voisine peut être réalisée en extrémité d’ailette, c’est-à-dire que l’ailette peut être raccourcie. Dans un dispositif électronique tel que décrit ci-dessus, les composants de type semi-conducteurs peuvent être montés sur un support, et lesdits composants peuvent se trouver entre ledit support et le dissipateur de chaleur. D’autres variantes sont toutefois envisageables. Le dispositif peut présenter un refroidissement par le bas, dans lequel le flux de chaleur doit traverser le support pour arriver au dissipateur de chaleur et/ou les composants à refroidir peuvent être intégrés dans un module qui est ensuite lui-même monté sur un support. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de réalisation d’un dispositif électronique comportant les étapes suivantes : - fourniture, d'une part, d’un assemblage de composants de type semi-conducteurs et, d'autre part, d’un dissipateur de chaleur présentant des ailettes de refroidissement avec au moins un éjecteur présentant une forme allongée le long d’un axe longitudinal, caractérisé en ce que les composants de type semi-conducteurs sont assemblés de telle sorte qu’au moins deux composants de type semi-conducteurs sont disposés à chaque fois sur un axe longitudinal d’un éjecteur et/ou le dissipateur de chaleur est conformé de telle sorte qu’au moins deux axes longitudinaux d’éjecteurs passent par un composant de type semi-conducteur. Selon un autre aspect, il est proposé un véhicule automobile comportant un moteur électrique, caractérisé en ce qu’il comporte un dispositif électronique tel que décrit ci-dessus. Brève description du dessin D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse du dessin annexé, sur lequel : Fig. 1 est un schéma illustratif d’un premier montage d’un composant de type semi-conducteur avec un dissipateur de chaleur ; Fig. 2 illustre un deuxième montage d’un composant de type semi-conducteur avec un dissipateur de chaleur selon la présente divulgation ; Fig. 3 est une vue schématique en vue de dessus d’un dissipateur de chaleur pouvant être mis en œuvre dans la présente divulgation ; Fig. 4 est une vue schématique en perspective d’un dissipateur du type de celui illustré sur la ; Fig. 5 est une vue schématique de dessus d’une variante de réalisation des dissipateurs des figures 3 et 4. Fig. 6 est un exemple en vue de dessus d’un dissipateur de chaleur et de composants de type semi-conducteurs dans une configuration préférée selon la présente divulgation. La présente description concerne un dispositif électronique dit dispositif de puissance et plus particulièrement un tel dispositif destiné à être embarqué à bord d’un véhicule, automobile ou autre comme par exemple une voiture, une moto, un outil agricole, etc., ledit véhicule étant muni d’un moteur électrique pour le mouvoir : il peut ici s’agir d’un véhicule dit « électrique », c’est-à-dire ne comportant qu’un ou plusieurs moteur(s) électrique(s) pour l’entrainer ou bien d’un véhicule hybride et comportant alors au moins un moteur électrique et un moteur à combustion interne pour l’entrainer. Un tel dispositif électronique peut être par exemple (non exhaustif) un dispositif de gestion de batterie, un convertisseur DC-DC, un chargeur embarqué, un onduleur, etc. Pour réaliser un tel dispositif électrique, des composants 2 électroniques de type semi-conducteurs (diode, transistor, IGBT, MOSFET, etc.) sont montés sur un support appelé par la suite PCB et référencé 4 sur les figures. Un dissipateur 6 de chaleur est prévu pour le refroidissement du composant 2 lorsqu’il fonctionne. Les figures 1 et 2 sont des schémas de principe et, pour simplifier ces figures, n’illustrent qu’un seul composant 2. Il est à remarquer que ces figures ne sont pas du tout à l’échelle et les tailles relatives des éléments représentés ne sont pas respectées. Dans la forme de réalisation de la , le composant 2 est refroidi « par le bas ». En effet, on suppose que le composant 2 est sur le PCB 4. On remarque que le dissipateur 6 est du côté opposé au composant 2 par rapport au PCB 4 et se trouve donc sous le PCB 4 et ainsi en dessous du composant 2. Le montage de la correspond à un montage avec refroidissement par le bas (« bottom cooled » en anglais). Dans la forme de réalisation de la , en considérant la même orientation donnée par la position relative du composant 2 par rapport au PCB 4, c’est-à-dire que le composant 2 est au-dessus du PCB 4, on remarque que le dissipateur 6 se trouve au-dessus du composant 2 (malgré l’orientation de la figure). Le montage de la correspond à un montage avec refroidissement par le haut (« top cooled » en anglais). Dans ces deux types de montage, le dissipateur 6 n’est pas directement au contact de la pièce à refroidir (le PCB 4 sur la et le composant 2 sur la ). Dans les deux formes de réalisation illustrées, un matériau d’interface thermique 8 est disposé entre la pièce à refroidir et le dissipateur 6. Ce matériau a pour but de faciliter le transfert de chaleur vers le dissipateur de chaleur en évitant notamment la présence d’air entre la pièce à refroidir et le dissipateur 6. Ce matériau d’interface thermique 8 a également une fonction mécanique et participe à la liaison entre le composant 2 ou le PCB 4 avec le dissipateur 6. Il peut s’agir d’une colle, d’une pâte ou bien d’un coussinet de liaison thermique (ou autre forme de réalisation). En outre, le dissipateur 6 étant réalisé le plus souvent dans un métal, notamment de l’aluminium ou un alliage à base d’aluminium, il est souvent nécessaire de réaliser une isolation électrique entre la pièce à refroidir et le dissipateur 6. Sur les montages des figures 1 et 2, on a ainsi prévu une couche d’isolation électrique 10 qui est réalisée dans un matériau qui soit à la fois isolant électrique et conducteur thermique. La couche d’isolation électrique 10 peut être apportée sur le dissipateur 6 par projection, ou pulvérisation, ou par attaque chimique (ou par d’autres procédés), ou par un insert d’une couche céramique. Les figures 3 à 6 illustrent un dissipateur 6 pouvant être utilisé dans les montages illustrés sur les figures 1 et 2. La concerne une forme de réalisation d’un tel dissipateur 6 et est une vue en perspective qui montre la structure générale d’un dissipateur. On reconnait sur la une base 12 de laquelle s’étendent des ailettes 14 et des éjecteurs 16. La base 12 présente une forme adaptée au dispositif électronique auquel le dissipateur 6 est associé. Le plus souvent, pour réaliser une diffusion régulière de la chaleur, la base présente une épaisseur sensiblement constante. Dans la forme de réalisation de la , la base 12 est de forme parallélépipèdique : elle présente une forme de base rectangulaire et une épaisseur constante. Les ailettes 14 s’étendent à partir de la base 12 et ne forment qu’une seule pièce avec celle-ci. Elles sont sensiblement planes et s’étendent perpendiculairement à la base 12. De manière classique, les ailettes 14 sont parallèles et définissent entre elles un couloir de circulation pour un fluide, le plus souvent de l’air mais éventuellement un liquide tel de l’eau. Les éjecteurs 16 se présentent sous une forme cylindrique ou tronconique et sont chacun associés à une ailette 14. Les éjecteurs 16 sont une excroissance à partir d’une ailette 14. Ils sont issus du procédé d’obtention du dissipateur 6 lorsque celui-ci est obtenu par un procédé de fonderie, y compris fonderie -ou moulage- sous pression. Il convient alors de prévoir dans le moule recevant le métal en fusion une cheminée pour l’évacuation des gaz présents dans le moule. Ces cheminées sont cylindriques ou légèrement coniques pour faciliter leur démoulage. Comme il ressort des figures 3 à 6, les éjecteurs 16 forment un obstacle à l’écoulement d’un fluide entre les ailettes 14 et limitent habituellement les capacités de refroidissement du dissipateur. Comme illustré sur les figures 2 et 6, il est proposé dans la présente divulgation de faire coïncider au moins certains éjecteurs 16 avec au moins certains composants 2 qui émettent de la chaleur. Comme indiqué, les éjecteurs 16 ont une forme cylindrique ou tronconique. De manière plus générale, ils présentent une forme allongée le long d’un axe longitudinal. Avantageusement, il est prévu qu’au moins certains composants 2 sont disposés sur un axe longitudinal d’un éjecteur 16. Avantageusement, pour un meilleur refroidissement, la majorité (au moins la moitié) des composants 2 sont alignés avec un éjecteur 16 (et sont donc traversés par l’axe longitudinal dudit éjecteur). De préférence, tous les composants 2 de type semi-conducteurs (transistors, diodes, etc.) sont alignés avec un éjecteur 16. Pour améliorer le refroidissement du dispositif, il est préférable que lorsqu’un composant 2 est aligné avec un éjecteur, l’axe longitudinal de l’éjecteur 16 passe sensiblement dans une zone centrale du composant. La est une vue schématique en vue de dessus d’un dispositif selon la présente divulgation sur laquelle sont représentés quatre composants 2 de type semi-conducteurs, et dégageant de la chaleur en fonctionnement, et partiellement un dissipateur 6 avec notamment ses ailettes et quatre éjecteurs 16 correspondant auxdits composants 2. Comme énoncé plus haut, on remarque que les quatre éjecteurs 16 et les quatre composants 2 se superposent (les axes longitudinaux des éjecteurs sont perpendiculaires au plan de la figure). Sur la , des contours 2’ en traits pointillés illustrent chacun une zone chauffée par un composant 2 au niveau de la base des ailettes 14 et des éjecteurs 16. Compte tenu de l’épaisseur de la base 12, la chaleur émise par le composant 2 et transmise par éventuellement le PCB 4 et le matériau d’interface thermique 8 se diffuse à travers la base en diffusant en cône. Dans la présente divulgation, il s’agit d’adapter le positionnement des composants 2 et/ou la forme du dissipateur 6 pour améliorer le refroidissement du dispositif et limiter la température de fonctionnement du dispositif. Pour cette amélioration, on prévoit un alignement, ou de préférence un centrage, des composants 2 avec les éjecteurs 16. On prévoit aussi avantageusement que les contours 2’ ne s’intersectent pas. Cette amélioration est réalisée lors de la conception du dispositif électronique en adaptant la forme du dissipateur 6 au schéma d’implantation des composants 2 ou au contraire en dessinant un dissipateur 6 adapté à l’implantation des composants 2 ou bien en faisant un codéveloppement de l’implantation des composants et de la forme du dissipateur pour tendre vers une optimisation de la dissipation de chaleur du dispositif électronique. Pour la conception du dissipateur 6, plusieurs caractéristiques avantageuses concernant les ailettes et/ou les éjecteurs peuvent être mises en œuvre en vue d’une amélioration du refroidissement du dispositif électronique. Sur les figures 3 et 4, les éjecteurs 16 sont disposés en quinconce. Sur ces figures, les ailettes 14 sont sensiblement planes. En considérant deux ailettes 14 voisines, les deux éjecteurs 16 correspondant ne sont pas disposés en vis-à-vis l’un de l’autre. Cela signifie que si l’on considère une première ailette 14, son éjecteur 16 et une perpendiculaire à la première ailette, cette dernière ne passe pas par l’éjecteur de l’ailette voisine. Cette forme de réalisation permet de limiter l’impact de l’intrusion des éjecteurs dans les couloirs de circulation de fluide entre les ailettes 16. La propose une variante de réalisation avantageuse adaptée à la présente divulgation. Cette variante favorise le refroidissement des éjecteurs 16. Ceci est favorable dans le cas de la présente divulgation puisque les composants 2 sont disposés de préférence au niveau d’éjecteurs 16. Un meilleur refroidissement des éjecteurs participe donc à un meilleur refroidissement global du dispositif. L’idée ici est de supprimer une partie d’ailette en vis-à-vis d’un éjecteur 16. Soit alors une première ailette 14 présentant un éjecteur 16. Une ouverture est alors réalisée dans au moins une ailette voisine en vis-à-vis de l’éjecteur 16. Si, comme illustré sur la , les éjecteurs 16 sont disposés à proximité d’une extrémité d’ailette, cela revient alors à raccourcir les ailettes dont l’extrémité se trouve en vis-à-vis d’un éjecteur 16. Dans l’exemple illustré, une ailette 14 sur deux est raccourcie à son extrémité et les ailettes non raccourcies présentent à leur extrémité un éjecteur 16 en vis-à-vis duquel les ailettes voisines ne s’étendent pas. Cette forme de réalisation diminue la surface d’échange du dissipateur en réduisant la surface d’échange des ailettes. Toutefois, les parties d’ailettes supprimées ne se trouvent pas normalement au niveau d’un composant à refroidir. Cette solution permet d’avoir globalement un débit d’air (ou autre fluide) plus important dans le dissipateur et ceci est alors favorable pour le refroidissement global du dispositif électronique à considérer. La propose une autre forme de réalisation d’un dissipateur favorisant le refroidissement du dispositif, notamment lorsque des composants à refroidir (transistors, MOSFET, IGBT, etc.) sont disposés en face d’éjecteurs. Sur cette , des éjecteurs 16 sont disposés sur des ailettes 14 planes ou pour tout le moins sur une portion plane d’une ailette 14. En vis-à-vis d’un éjecteur 16, une ailette 14 voisine présente alors une zone concave 18 (et ne porte pas d’éjecteur). Ainsi, au voisinage d’un éjecteur 16, les ailettes voisines présentent une ondulation. La forme des ailettes voisines est avantageusement réalisée de telle sorte que la largeur du couloir de passage de fluide (air, autre gaz ou liquide) présente sensiblement une largeur constante, ou tout du moins ne présente pas de variation brusque de sa largeur. Les variations de largeur de couloir de circulation de fluide se fait donc « en douceur ». En outre, les formes des ondulations sont réalisées de telle sorte que la largeur minimale d’un couloir de circulation de fluide ne varie pas, ou le moins possible, entre deux couloirs voisins. Cette forme de réalisation limite sensiblement les pertes de charge et permet ainsi d’améliorer le refroidissement global du dissipateur. Sur la , les ailettes 14 présentant au moins une ondulation ne comporte pas d’éjecteur. Ceci est dû à une simplification de la qui est une vue partielle : les ailettes représentées sans éjecteurs peuvent comporter un ou plusieurs éjecteurs en dehors de la zone illustrée à titre illustratif et non limitatif. La présente solution technique peut trouver à s’appliquer notamment dans le refroidissement de dispositifs électroniques, et plus particulièrement pour des dispositifs embarqués. La solution proposée permet de mettre à profit la présence des éjecteurs issus du procédé de fabrication d’un dissipateur de chaleur, habituellement considérés comme un obstacle, pour améliorer les performances d’un dissipateur. En faisant coïncider les composants chauffants avec les éjecteurs, l’efficacité du transfert de chaleur du composant vers le dissipateur de chaleur est améliorée. La solution proposée concerne des dispositifs électroniques avec un dissipateur de chaleur obtenu par un procédé de fonderie. À titre d’exemple non limitatif, le dissipateur peut être un dissipateur réalisé dans un alliage à base d’aluminium et moulé sous pression. Le dispositif proposé peut être refroidi par convection naturelle, ou bien avec de l’air soufflé ou bien encore avec un liquide. Tous les modes de refroidissement habituellement utilisés peuvent être utilisés avec ce nouveau dispositif. À titre illustratif et non limitatif, les dispositifs décrits ci-dessus et illustrés sur le dessin permettent une dissipation thermique allant par exemple de 30 à 50 W/cm -2 . Pour obtenir une telle dissipation de chaleur, il est préférable d’utiliser un refroidissement par le haut comme illustré sur la . Ainsi, le dispositif électronique peut être par exemple un dispositif GAN de puissance. Des mesures réalisées ont montré qu’en disposant un transistor dans l’alignement d’un éjecteur, la montée de la température de jonction du transistor pouvait être diminuée de 7% pour de grands semi-conducteurs, c’est-à-dire des semi-conducteurs dont la longueur caractéristique est plus grande qu’un demi inter-espace entre ailettes. Pour des semi-conducteurs plus petits, une diminution d’au moins 3% peut être obtenue. La présente divulgation ne se limite pas aux exemples de réalisation proposés et aux variantes évoquées décrits ci-avant, seulement à titre d’exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l’homme de l’art dans le cadre de la protection recherchée. Dispositif électronique comportant, d'une part, un assemblage de composants (2) de type semi-conducteurs et, d'autre part, un dissipateur (6) de chaleur présentant des ailettes (14) de refroidissement avec au moins un éjecteur (16), caractérisé en ce que les éjecteurs (16) présentent une forme allongée le long d’un axe longitudinal, et en ce qu’au moins deux composants (2) de type semi-conducteurs sont disposés à chaque fois sur un axe longitudinal d’un éjecteur (16). Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la majorité des composants (2) de type semi-conducteurs sont disposés sur un axe longitudinal d’un éjecteur (16). Dispositif électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la majorité des composants (2) de type semi-conducteurs sont sensiblement centrés sur un axe longitudinal d’un éjecteur (18). Dispositif électronique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les ailettes (14) sont sensiblement planes et parallèles, et en ce que deux éjecteurs (16) correspondant à deux ailettes (14) voisines sont décalés, c’est-à-dire ne sont pas en vis-à-vis par rapport au plan des ailettes (14) considérées. Dispositif électronique selon la revendication 4, caractérisé en ce qu’à proximité d’un éjecteur (16), une ailette (14) voisine de l’ailette associée audit éjecteur (16) présente une ondulation avec une zone concave (18) disposée en vis-à-vis dudit éjecteur (16). Dispositif électronique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’à proximité d’un éjecteur (16), une ailette (14) voisine de l’ailette associée audit éjecteur (16) présente une ouverture en vis-à vis dudit éjecteur (16) sur toute la hauteur de celui-ci. Dispositif électronique selon la revendication 6, caractérisé en ce que l’ouverture de l’ailette (14) voisine est réalisée en extrémité d’ailette, c’est-à-dire que l’ailette (14) est raccourcie. Dispositif électronique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les composants (2) de type semi-conducteurs sont montés sur un support (4), et en ce que lesdits composants se trouvent entre ledit support (4) et le dissipateur (6) de chaleur. Procédé de réalisation d’un dispositif électronique comportant les étapes suivantes : - fourniture, d'une part, d’un assemblage de composants (2) de type semi-conducteurs et, d'autre part, d’un dissipateur (6) de chaleur présentant des ailettes (14) de refroidissement avec au moins un éjecteur (16) présentant une forme allongée le long d’un axe longitudinal, caractérisé en ce que les composants (2) de type semi-conducteurs sont assemblés de telle sorte qu’au moins deux composants (2) de type semi-conducteurs sont disposés à chaque fois sur un axe longitudinal d’un éjecteur (16) et/ou le dissipateur (6) de chaleur est conformé de telle sorte qu’au moins deux axes longitudinaux d’éjecteurs passent par un composant (2) de type semi-conducteur. Véhicule automobile comportant un moteur électrique, caractérisé en ce qu’il comporte un dispositif électronique selon l'une des revendications 1 à 8.