Brevet FR3164341A1 — publié le 20260109

La présente invention concerne un circuit imprimé (10) à substrat métallique isolé, comprenant un support métallique (1), au moins une couche d'isolant (4) et au moins une couche de matériau métallique (5) sur laquelle est implanté au moins un composant électronique (6) caractérisé en ce que le support métallique (1) intègre un dispositif de refroidissement (3). L’invention porte également sur un ensemble comprenant le circuit imprimé (10) et une base (101) de manière à former un canal (105) de circulation d’un fluide caloporteur. Figure pour l’abrégé : Figure 2 Circuit imprimé à substrat métallique isolé avec dispositif de refroidissement intégré L’invention concerne un circuit imprimé à substrat métallique isolé, plus connu par l’acronyme IMS signifiant en anglais « Insulated Metallic Substrate » . L’invention trouve un intérêt particulier dans le domaine des véhicules électriques ou hybrides dans lesquels il est essentiel d’utiliser des appareils électroniques de puissance installés à bord de ces véhicules pour la conversion d’une tension ou d’un courant d’entrée en une tension ou un courant de sortie approprié. Un tel appareil électronique est couramment appelé un chargeur embarqué plus connu sous le terme « on-board charger » en anglais ou bien encore un convertisseur DC/DC. L’invention peut également s’appliquer à un onduleur. Un circuit imprimé est un support, en général une plaque, permettant de relier électriquement un ensemble de composants électroniques entre eux dans le but de réaliser un circuit électronique complexe. On le désigne aussi par le terme de carte électronique. Un circuit imprimé à substrat métallique isolé comprend classiquement un support métallique, typiquement une plaque de cuivre ou d'aluminium, des pistes de cuivre formées dans une couche d'un feuillard de cuivre et sur lesquelles sont implantés des composants électroniques, ainsi qu'un matériau isolant séparant le support métallique des pistes de cuivre. Le matériau isolant est typiquement une résine époxy. Des composants électroniques sont implantés sur les pistes de cuivre au niveau de zones d'implantation des pistes de cuivre. Un exemple de circuit imprimé à substrat métallique isolé est décrit dans le document FR2969899A1. Dans les circuits imprimés qui interconnectent des composants électroniques, il existe un inconvénient lié à la dissipation ou à l'élimination de la chaleur générée par ces composants. Bien souvent, le support métallique du circuit imprimé à substrat métallique isolé ne suffit pas à lui seul à dissiper la chaleur nécessaire afin de ne pas endommager les composants électroniques. Il est connu d’ajouter un dispositif de refroidissement additionnel tel qu’un dissipateur thermique ou une plaque froide au circuit imprimé à substrat métallique isolé. Ce dispositif de refroidissement additionnel peut être couplé thermiquement à la plaque de cuivre ou d'aluminium de manière directe ou indirecte via un matériau d’interface thermique. Cet agencement connu à l’inconvénient d’être coûteux, complexe à assembler du fait d’un nombre élevé de composant et avec des capacités de dissipation thermique limitées. De plus cet agencement pose des problèmes de poids et de compacité. Il existe ainsi un besoin de remédier à ces problèmes. Ainsi l’invention propose un circuit imprimé à substrat métallique isolé, comprenant un support métallique, au moins une couche d'isolant et au moins une couche de matériau métallique sur laquelle est implanté au moins un composant électronique. Selon l’invention, le support métallique intègre un dispositif de refroidissement. Cette conception permet de remédier aux problèmes précités en proposant un circuit imprimé à substrat métallique isolé qui soit compact, avec de bonnes capacités de dissipation thermique et simple à réaliser. Le support métallique intègre un dispositif de refroidissement signifie que le matériau du support métallique constitue lui-même le dispositif de refroidissement. Le support métallique a ainsi deux fonctions principales, à savoir supporter les éléments électroniques mais aussi participer activement à la dissipation de la chaleur générée par ces composants électroniques. Un des avantages de l’invention est qu’il n’y a pas d’élément additionnel pour réaliser cette fonction, celle-ci étant directement réalisée par la géométrie du support métallique. Selon l’invention, le support métallique est en aluminium ou en cuivre. L'aluminium est normalement utilisé comme substrat en raison de son faible coût. Le cuivre est utilisé dans les conceptions à plus forte densité de puissance en raison de sa conductivité thermique supérieure. Le cuivre a également pour avantage d’avoir un coefficient de dilatation thermique plus faible que l’aluminium. Selon l’invention, le dispositif de refroidissement comprend des protubérances issues de la matière du support métallique. En d’autres termes, les protubérances et le support métallique sont monobloc. Ceci permet d’améliorer la dissipation de la chaleur par conduction. Selon l’invention, les protubérances sont réalisées sous la formes de pions ou d’ailettes. Ces formes permettent d’augmenter la surface d’échange entre le dispositif de refroidissement et le milieu extérieur, en l’occurrence ici un fluide caloporteur. Selon l’invention, le support métallique a une épaisseur E1 et le dispositif de refroidissement a une épaisseur E2, l’épaisseur E2 du dispositif de refroidissement représente au moins 50% de l’épaisseur E1 du support métallique. Cette conception permet d’assurer une surface d’échange thermique suffisante. Par exemple, l’épaisseur E1 du support métallique est comprise entre 8mm et 9mm et l’épaisseur E2 du dispositif de refroidissement est comprise entre 5 et 6mm. Selon l’invention, le composant électronique est un module de puissance. Un tel module de puissance est utilisé dans le cadre d’un chargeur embarqué de véhicule électrique ou hybride. L’invention porte également sur un ensemble formé par un circuit imprimé à substrat métallique isolé selon l’une des caractéristiques précédentes et une base formant partie d’un canal de circulation de fluide caloporteur. Le circuit imprimé à substrat métallique isolé est disposé sur la base de manière à fermer le canal de circulation de fluide caloporteur. Ainsi, le support métallique du circuit imprimé et les protubérances se retrouvent directement en contact avec le fluide caloporteur circulant dans le canal, ce qui améliore la dissipation thermique. Selon l’invention, la base comprend une paroi de fond et au moins deux parois latérales, ledit circuit imprimé à substrat métallique isolé est disposé sur les au moins deux parois latérales. En variante, la paroi de fond peut également être formée par un second circuit imprimé à substrat métallique isolé ayant les mêmes caractéristiques. Avec cette architecture, le fluide caloporteur circulant dans le canal permet de dissiper la chaleur générée par deux circuits imprimés à substrat métallique isolé. Selon l’invention, un dispositif d’étanchéité est disposé entre la base et le circuit imprimé à substrat métallique isolé. Ceci permet d’éviter une fuite du fluide caloporteur en dehors du canal de circulation. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture qui suit d’un exemple de réalisation détaillé, en référence aux figures annexées : la FIG. 1 représente de manière schématique un circuit imprimé selon l’invention; la FIG. 2 représente de manière schématique un ensemble formé par le circuit imprimé de la FIG. 1 associé à une base afin de former un canal de circulation de fluide caloporteur. Il est à noter que les figures divulguent l’invention d’une manière suffisamment détaillée pour sa mise en œuvre, lesdites figures aidant à mieux définir l’invention au besoin. En référence à la FIG. 1 , il est montré un circuit imprimé 10 avec un substrat métallique isolé avec le dispositif de refroidissement 3 intégré selon la présente invention. Le circuit imprimé 10 est du type le plus simple et comprend un support métallique 1, sur lequel se trouve une couche d’isolant 4 également appelée couche électriquement isolante et au moins une couche de matériau métallique 5 servant de piste électro-conductrice sur laquelle est implanté au moins un composant électronique 6 et plus précisément deux composants électroniques 6 comme visible sur la FIG. 1 . De préférence, la couche d’isolant 4 est collée sur le support métallique 1 et la couche de matériau métallique 5 est collée sur la couche d’isolant 4. D’autres moyens d’adhésion sont possibles à partir du moment où les matériaux des différentes couches sont compatibles avec ces moyens d’adhésion. La couche de matériau métallique 5 permet de relier les composants électroniques 6 de puissance entre eux. Cette couche métallique 5 est avantageusement une piste en cuivre. Les composants électroniques 6 sont des composants d’électronique de puissance, notamment des modules de puissance. Ces composants électroniques 6 sont fortement générateurs de chaleur du fait des courants élevés qui les traversent et doivent être refroidis afin de les maintenir à une température adaptée à leur fonctionnement. Le matériau de la couche d’isolant 4 est choisi de telle sorte que, étant électriquement isolant, il soit le meilleur conducteur thermique possible. Ainsi, une grande partie de la chaleur générée par les composants électroniques 6 est transférée au support métallique 1, qui est dans le cas présent en alliage d'aluminium. Le support métallique 1 intègre un dispositif de refroidissement 3 afin de dissiper la chaleur générée par le ou les composants électroniques 6 vers un milieu extérieur. Le dispositif de refroidissement 3 se trouve sur une face du circuit imprimé 10 opposée à la face sur laquelle se trouvent les composants électroniques 6. Pour cela, le support métallique 1 comprend des protubérances 2, de préférence sous la formes de pions ou d’ailettes, afin d’augmenter la surface d’échange entre le support métallique 1 et le milieu extérieur. D’autres formes de protubérances sont possibles à partir du moment où elles peuvent être facilement réalisable dans le contexte d’un support métallique utilisé dans un circuit imprimé 10 à substrat métallique isolé. Les protubérances 2 sont obtenues par extrusion, usinage ou par moulage du support métallique 1. Les protubérances 2 sont agencées de manière matricielle sur le support métallique 1 de manière à former une succession de lignes et de colonnes. Les protubérances 2 s’étendent dans une direction perpendiculaire à la direction d’extension du support métallique 1. Le support métallique 1 a une épaisseur E1 et le dispositif de refroidissement a une épaisseur E2, l’épaisseur E2 du dispositif de refroidissement représente au moins 50% de l’épaisseur E1 du support métallique. La FIG. 2 montre un ensemble 100 formé par un circuit imprimé 10 tel que décrit ci-dessus et une base 101 formant partie d’un canal 105 de circulation de fluide caloporteur, par exemple de l’eau glycolée. Le circuit imprimé 10 est disposé sur la base 101 de manière à fermer le canal 105 de circulation de fluide caloporteur. Ainsi, le support métallique 1 et les protubérances 2 sont en contact direct avec le fluide caloporteur. La base 101 comprend une paroi de fond 102 et au moins deux parois latérales 103, le circuit imprimé 10 à substrat métallique isolé est disposé indirectement ou directement sur les au moins deux parois latérales 103. Un dispositif d’étanchéité 104, par exemple sous la forme d’un joint torique, est disposé entre la base 101 et le circuit imprimé 10. En variante de réalisation non représentée, la carte de circuit imprimé peut comprendre un support métallique 1 sur un côté duquel plusieurs couches alternées d’isolant 4 et de matériau métallique 5 servant de piste électro-conductrice. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec un mode de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits. Dans les revendications, les symboles de référence entre parenthèses ne doivent pas être interprétés comme une limitation de la revendication. Circuit imprimé (10) à substrat métallique isolé, comprenant un support métallique (1), au moins une couche d'isolant (4) et au moins une couche de matériau métallique (5) sur laquelle est implanté au moins un composant électronique (6) caractérisé en ce que le support métallique (1) intègre un dispositif de refroidissement (3). Circuit imprimé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support métallique (1) est en aluminium ou en cuivre. Circuit imprimé (10) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement (3) comprend des protubérances (2) issues de la matière du support métallique (1). Circuit imprimé (10) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les protubérances (2) sont réalisées sous la formes de pions ou d’ailettes. Circuit imprimé (10) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support métallique (1) a une épaisseur E1 et le dispositif de refroidissement (3) a une épaisseur E2, l’épaisseur E2 du dispositif de refroidissement (3) représente au moins 50% de l’épaisseur E1 du support métallique (1). Circuit imprimé (10) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composant électronique (6) est un module de puissance. Ensemble (100) formé par un circuit imprimé (10) à substrat métallique isolé selon l’une des revendications précédentes et une base (101) formant partie d’un canal (105) de circulation de fluide caloporteur, ledit circuit imprimé (10) à substrat métallique isolé est disposé sur la base (101) de manière à fermer le canal (105) de circulation de fluide caloporteur. Ensemble selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la base (101) comprend une paroi de fond (102) et deux parois latérales (103), ledit circuit imprimé (10) à substrat métallique isolé est disposé sur les deux parois latérales (103). Ensemble (100) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’un dispositif d’étanchéité (103) est disposé entre la base (101) et le circuit imprimé (10) à substrat métallique isolé. Ensemble (100) selon la revendication 8, caractérisé en ce que la paroi de fond (102) est formée par un second circuit imprimé (10) à substrat métallique isolé selon l’une des revendications 1 à 6.