WO93/13556 WO93 / 13556
2 1 2 3 1 2 Q PCT/FR92/01228 Syst~m~ de refroidissement pour module "multi-puces"
~a présente invention concerne un système de refroidissement pour module "multi-puces" comprenant un substrat sur lequel est agencée une pluralité de circuits électroniques sensiblement plats, associé au substrat un capot partiellement plat thermiquement conducteur coopérant avec une pluralité de moyens d'échange de chaleur, chacun en relation d'un coté a~ec un circuit et de l'autre avec le capot pour transférer la chaleur du circuit vers le capot.
Un tel système de refroidissement est connu de la demande de brevet européenne EP-369 115. Dans cette demande,. il est décrit un système comprenant entre autres un substrat portant des circuits électroniques formant avec un capot ou chapeau une enceinte hermétique. Dans cette enceinte sont disposés vis-à-~is de chaque circuit des moyens d'échange de chaleur. En effet, chaque circuit électronique dissipe une certaine quantité de chaleur dont une partie au.moins doit ~tre nécessairement ~vacuée afin d'autoriser un fonctionnement nominal. Ainsi, un moyen d'échange de chaleur pour le transfert de ladite chaleur d'un circuit vers le capot est dans le cas présent constitué d'un piston cylindrique en métal dont le corps est logé dans une cavité
située dans l'épaisseur du capot. Un ressort disposé dans la cavité supérieure du pis~on permet de maintenir en pression l'extrémité inférieure de ce dernier sur le circuit. Le transfert de chaleur du circuit vers le piston sera d'autant plus efficace que la surface du piston en contact avec le circuit sera grande, l'idéal étant que l'extrémité
inférieure du piston soit comprise dans un plan parallèle au plan du circuit électronique. L'axe de la cavité contenant le piston est par construction perpendiculaire au plan du substrat et donc idéalement au plan du circuit, dans ce cas l'intégralité de l'extrémité inférieure du piston est en contact avec le circuit. Cependant, de manière générale, sur la quantité de circuits montés sur le substrat un nombre non négligeable d'entre eux présente une inclinaison par WO93/135~ 12 3 12 0 PCT/FR92/01228 rapportau plan dudit substrat, dans ce cas seule une partie de l'extr~mité inf~rieure du piston est en contact avec le circuit et le transfert de chaleur n'est alors plus optimal.
Pour tenter de remédier ~ cet inconvénient, compte tenu de S la rigidité mécanique des pistons, il est pré w alors dans le demande pr~citée de donner une forme tronconique au piston et d'augmenter le diamètre de la cavité dans laquelle est logé ledit piston pour permettre à ce dernier de prendre l'inclinaison nécessaire à l'alignement de son extrémité
inf~rieure avec le plan du circuit et imposer ainsi un contact intégral.
Une telle solution comporte néanmoins de sérieux inconvénients. En effet, pour que l'échange de chaleur se faQse de mani~re efficace, une autre exigence doit être satisfaite : la résistance thermique giobale doit être de ~aleur aussi réduite que possible. Or dans le cas présent, si la résistance thermique au voisinage du circuit et de la partie inférieure du piston est faible (la surface de contact étant maximale, ceci implique une lame d'air entre ces d~ux parties de faible épaisseur), la résistance thermique au voisinage des contacts entre le piston et la ca~ité est elle par contre de valeur élevée et ce sur la majeure partie du domaine de variation de l'inclinaison du circuit. Ainsi, lorsque l'angle d'inclinaison du circuit est nul ou de faible valeur, aucun contact n'existe entre le piston et la cavité, la résistance thermique est par conséquent élevée car la lame d'air entourant le piston dans la cavité a une épaisseur non négligeable et ceci d'autant plus que le diamètre de la cavité a été augmenté. A partir d'une certaine valeur d'angle d'inclinaison, il y a contact entre piston et cavité mais ce contact est quasi-ponctuel et la valeur de la résistance thermique même réduite n'est toujours pas négligeable. Enfin, la valeur de la résistance thermique est minimale mais encore significative pour un contact quasi linéaire du piston -avec la cavité, c'est-à-dire pour une valeur d'angle d'inclinaison égale ou voisine piston.
WO93/12 1 2 3 1 2 Q PCT / FR92 / 01228 Cooling system for multi-chip module ~ a present invention relates to a cooling system for "multi-chip" module comprising a substrate on which a plurality of electronic circuits are arranged substantially flat, associated with the substrate, a cover partially flat thermally conductive cooperating with a plurality of heat exchange means, each relation on one side to a circuit and on the other with the hood to transfer heat from the circuit to the hood.
Such a cooling system is known from the application of European patent EP-369 115. In this application ,. he is describes a system comprising inter alia a substrate carrying electronic circuits forming with a cover or hat an airtight enclosure. In this enclosure are arranged opposite ~ is of each circuit means for exchanging heat. Indeed, each electronic circuit dissipates a a certain amount of heat, at least part of which must ~ be necessarily ~ vacated in order to authorize a nominal operation. So a means of heat exchange for the transfer of said heat from a circuit to the cover in this case consists of a piston cylindrical metal whose body is housed in a cavity located in the thickness of the cover. A spring arranged in the udder upper cavity ~ pressure is maintained the lower end of the latter on the circuit. The heat transfer from the circuit to the piston will be all the more more efficient than the surface of the piston in contact with the circuit will be large, ideally the end lower piston is in a plane parallel to the electronic circuit plan. The axis of the cavity containing the piston is by construction perpendicular to the plane of the substrate and therefore ideally in terms of the circuit, in this case the entire lower end of the piston is in contact with the circuit. However, generally speaking, on the quantity of circuits mounted on the substrate a number not negligible of them presents an inclination by WO93 / 135 ~ 12 3 12 0 PCT / FR92 / 01228 relative to the plane of said substrate, in this case only a part from the lower end of the piston is in contact with the circuit and heat transfer is no longer optimal.
In an attempt to remedy this drawback, taking into account S the mechanical rigidity of the pistons, it is pre w then in the pr ~ quoted request to give a frustoconical shape to the piston and increase the diameter of the cavity in which is housed said piston to allow the latter to take the inclination necessary to align its end lower with the circuit plan and thus impose a full contact.
Such a solution nevertheless involves serious disadvantages. Indeed, for the heat exchange to take place faQse effectively, another requirement must be satisfied: the overall thermal resistance must be ~ as little as possible. In this case, if the thermal resistance in the vicinity of the circuit and the lower part of the piston is small (the area of contact being maximum, this implies an air gap between these two thin parts), the resistance thermal in the vicinity of the contacts between the piston and the on the other hand, it is of high value and this on the most of the range of inclination variation circuit. So when the tilt angle of the circuit is zero or of low value, no contact exists between the piston and cavity, the thermal resistance is by therefore high because the air gap surrounding the piston in the cavity has a significant thickness and this all the more more than the diameter of the cavity has been increased. From of a certain value of angle of inclination, there is contact between piston and cavity but this contact is almost punctual and even the reduced thermal resistance value is not still not negligible. Finally, the value of resistance thermal is minimal but still significant for a almost linear contact of the piston -with the cavity, that is say for an equal or similar tilt angle value piston.
WO93 / 1
3~56 2 1 2 3 1 2 0 PCT/FR92/01228 Le but de la présente invention est de proposer un système de refroidissement pour modules "multi-puces" de préférence de dissipation moyenne, qui soit simple, efficace, non hermétique et qui ne présente pas les inconvénients des syst~mes connus.
Pour cela, le système de refroidissement du genre mentionn~
dans le préambule utilise comme moyen d'échange de chaleur un dispositif métallique flexible à faible résistance thermique et est remarquable en ce que les surfaces du dispositif métallique flexible en contact aux deux extrémités, sous une pression déterminée, avec le circuit d'une part et le capot d'autre part sont planes et ont un état de surface de planéité et de rugosité tel qu'il permet le contrôle des deux lames d'air entre d'une part le circuit et la première des deux extrémités et d'autre part, lorsqu'elle existe, entre le capot et la seconde des deux extrémités, le dispositif métallique flexible ~ faible résistance thermique compensant les différences d'altitude et d'angles entre le substrat et les différents circuits et minimisant les résistances thermiques au voisinage desdites lames d'air, alors que les dilatations différentielles sont automatiquement compensées par le mouvement de glissement par rapport au circuit.
Ainsi le dispositif choisi comme moyen d'échange de chaleur, autorise, de par sa flexibilité, une déformation aisée assurant une application intégrale et systématique de ses surfaces de contact avec les surfaces du circuit d'une part et du capot d'autre part. Ces surfaces de contact sont planes et usinées ou traitées de sorte à contrôler efficacement les lames d'air existant au niveau des contacts et obtenir des résistances thermiques de très faible valeur.
La faible résistance thermique du dispositif lui-même entr~ne une résistance thermique globale également de faible valeur et donc un transfert efficace de la chaleur.
L'élasticité des divers dispositifs garantit avantageusement Wog3/135~6 2 12 3 1 2 0 PCT/FR92/01228 ~
d'une part une bonne application de ceux-ci sur les circuits sous une pression relativement faible imposée par le capot lorq de -qon association avec le substrat et d'autre part une compensation des dilatations différentielles entre le substrat et le capot. Un bon rendement est ainsi obtenu qui autorise une utilisation du système a~ec des modules "multi-puces" de dissipation moyenne sans pr~sence interne d'un fluide au niveau des "puces" et donc sans qu'il soit nécessaire d'imposer une fermeture hermétique. Le rendement peut en outre être amélioré en utilisant des graisses au niveau des contacts avec les circuits et/ou en prévoyant des moyens d'extraction de la chaleur au niveau du capot par exemple une circulation de fluide à la surface supérieure de celui-ci.
Selon une application préférée, le dispositif métallique flexible à faible résistance thermique est un caloduc à
soufflet dont l'é~aporateur, une plaque m~tallique, est la partie en contact avec le circuit, le condenseur, une autre plaque métallique, la partie en contact avec le capot et le corps reliant l'~aporateur au condenseur forme un soufflet métallique, l'ensemble contenant un fluide caloporteur.
De cette manière, le choix d'utilisation d'un caloduc ou 2S tube de chaleur qui est un dispositif st tique de conductibilité thermique très élevée et donc de résistance thermique tres faible autorise un transfert efficace de la chaleur d'un circuit vers le capot. Le choix de l'utilisation d'un caloduc entraîne de plus un important a~antage. En effet, avec ce type de dispositif plus la puissance dissipée et donc l'énergie à transférer augmente et plus la résistance thermique globale diminue, et ceci de manière non-linéaire, alors qu'en outre la résistance thermique diminue lorsque la température du condenseur augmente (dans des limites raisonnables bien entendu, c'est-à-dire interdisant l'assèchement du caloduc). Egalement, le corps formant soufflet donne à ce dispositif la flexibilité
désirée, 50US une pression déterminée, autorisant la WO g3/13556 21 2 3 I 2 0 PCT/FRg2/01228 s déformation nécessaire pour compenser les différences d'altitude ou d'inclinaison. En outre la plasticité due au choix du matériau choisi pour le soufflet, par exemple un alliage de cuivre, permet de'limiter la force d'appui et donc la pression du caloduc sur le circuit.
Dans une forme de réalisation préférée, chaque caloduc à
soufflet est fixé par son condenseur au capot, l'ensemble étant associé au substrat sous une pression déterminée par l'intermédiaire de moyens de fixation. ~insi à chaque circuit correspond une position d'un caloduc à soufflet qui ~-iendra de manière naturelle et sans réglage se pr~senter et s'appliquer sur le circuit associé. La flexibilité du caloduc contrairement aux systèmes rigides de l'art ant~rieur, entraine nécessairement lors de l'application un contact planaire de bonne qualit~ qui favorise la diminuti~n de la résistance thermique, alors que les diverses dilatations sont automatiquement compensées par le mouvement de glissement de l'~vaporateur par rapport au circuit, mouvement de faible amplitude permis du fait de la libert~
laissée entre caloduc e~ circuit. La pression que ie caloduc doit exercer sur le circuit, qui comme cela a été w préc~demment est de valeur limit~e du fait de la plasticité
~ du matériau du soufflet, est déterminée par les moyens de fixation du capot sur le substrat. Ainsi une force d'appui par exemple d'environ 300 à 400 g est généralement suffisante, celle-ci peut être aisément obtenue lors de la fermeture du capot sur le substrat au moyen de vis. En outre comme aucune fixation n'est prévue entre un caloduc et son circuit associé, il s'ensuit qu'aucune dégradation du circuit n'est entraînée, comme cela est souvent le cas dans les systèmes de l'art antérieur, les circuits étant, lors du démontage du capot, retrouvés dans leur état mécanique initial.
Selon une caractéristique additionnelle du système de refroidissement selon l'in~ention, chaque caloduc à soufflet comporte également, située le long de son évaporateur, une mèche autorisant une utilisation dans le sens horizontal.
WO93/13556 PCT/FR92/01228 ~
~ ~23t20 6 Cette m~che est de préférence constitu~e d'un grillage métallique ~ maille fine qui permettra ainsi par capillarité
de faire remonter le fluide caloporteur lorsque le syst~me de refroidissement est utilisé avec les caloducs en position horizontale.
La description suivante en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut etre réalisée.
La fiaure 1 représente de manière schématique une coupe d'un système de refroidissement pour module "multi-puces" selon l'invention. r La fiaure 2 montre en coupe un ~xemple de dispositif métallique flexible à faible résistance thermique utilisable dans le système de refroidissement selon l'invention.
La fiaure 3 présente en coupe un autre exemple de dispositif métallique flexible à faible résistance thermique utilisable dans le système de refroidissement selon l'invention.
Sur la figure 1 est proposée une coupe d'un système de ~ refroidissement pour module "multi-puces" comprenant un substrat 1 sur lequel est agencée une pluxalité de circuits électroniques 2a, 2bl 2c, ..., sensiblement plats. Un capot partiellement plat 3 thermiquement conducteur est associé au substrat 1 par l'intermédiaire de moyens de fixation 4, par exemple des vis. Le capot 3 coop~re avec une pluralité de moyens d'échange de chaleur 5a, 5b, 5c, ..., chacun en relation d'un côté respectivement avec un circuit 2a, 2b, 2c, ..., et de l'autre avec le capot 3 pour transférer la chaleur du circuit associé vers le capot.
Le moyen d'échange de chaleur Sa, 5b, 5c, ..., est un dispositif métallique flexible à faible résistance thermique. Selon une application préférée, ce dispositif est un caloduc à soufflet plus précisément décrit avec la figure 2. Conformément à l'id~e de l'invention, les surfaces aux deux extr~mités du dispositif 5a, 5b, Sc, ..., en contact d'une part avec respectivement le circuit 2a, 2b, 2c, ....
et d'autre part avec le capot 3 sont planes et sont usinées ou traitées de mani~re à presenter un état de surface de planéit~ et de rugosité tel qu'il permet le contrôle des deux lames d'air entre, d'une part le circuit 2a, 2b, 2c, ..., et la première des deux extrémités et, d'autre part, lorsqu'elle existe, entre le capot 3 et la seconde des deux extr~mités, le dispositif métallique flexible à faible résistance thermique compensant les différences d'altitude et d'angles entre le substrat 1 et les différents circuits 2a, 2b, 2c, ..., et minimisant les résistances thermiques au voisinage desdites lames d'air, alors que les dilatations différen~ielles sont automatiquement compensées par le mouvement ~e glissement par rapport au circuit. Ainsi ces surfaces pl~nes sont en contact intime minimisant la lame d'air et par là la résistance thermique. L'état de surface des dis~ositif~ est prévu pour être harmonisé avec celui des circuits dont la planéité/rugosité est connue de leur ~p~ci~ication permettant de la sorte le contrôle du volume d'air entre les surfaces de contact. En outre, ce volume d'air peut être encore minimisé par adjonction de graisse thermique au niveau des contacts. La force d'appui du capot 3 sur les dispositifs 5a, 5b, 5c, ..., permet de maintenir une pression suffisante pour assurer la force de contact m~nimale nécessaire autorisant la déformation du corps flexible des dispositifs 5a, 5b, Sc, ..., et ainsi la compensation des inclinaisons. Cette force d'appui est déterminée par les moyens de fixation 4 du capot 3 sur le substrat 1, son intensité de l'ordre de 300 à 400 g par circuit, est limitée du fait de la plasticité du soufflet réduisant avantageusement ainsi les efforts appliqués sur les circuits.
Des trois dispositifs 5aj 5b, Sc représentés sur la figure 1, seul le dispositif Sa n'a pas subi de déformation, la surface supérieure du circuit 2a étant parallèle au plan du substrat. La déformation, volontairement exagérée, des PCT/FR92/01228~
wo 93,l3~6 2 1 2 3 1 2 0 dispositifs Sb et 5c permet de montrer que toute inclinaison est automatiquement et entièrement compensée tout en maintenant l'int~gralité de la surface supérieure des dispositifs 5a, Sb, 5c, ..., en contact ~troit avec le capot 3 et donc sans augmentation de la résistance thermique.
Dans un mode de réalisation préféré les dispositifs 5a, 5b, 5c, ..., sont des caloducs à soufflet, caloduc à soufflet dont l'évaporateur, une plaque métallique, es~ la partie en contact avec le circuit, le condenseur, une autre plaque métallique, la partie en contact avec le capot et le corps reliant l'évaporateur au condenseur forme un soufflet métallique, l'ensemble contenant un fluide caloporteur.
Les dispositifs Sa, Sb, Sc, ..., sont de pr~férence fixés par leur condenseur au capot 3, tout moyen de fixation pouvant etre utilisé : colle, soudure, vis, etc ... (selon le moyen de fixation choisi, la lame d'air entre condenseur et capot existera ou n'existera pas).
En outre, pour des modules de plus forte dissipation, des moyens de pompage et d'extraction de la chaleur peuvent être associés au capot 3, moyens qui peuvent consister par exemple en un radiateur intimement lié (soit intégré, soit ajoute) au capot ou une circulation d'un fluide à la surface supérieure de ce dernier.
Sur la figure 2 est proposé en coupe un exemple d~
dispositif métallique flexible à faible résistance thermique, ici caloduc à soufflet, pouvant être utilisé dans le système de refroidissement selon l'invention.
Le caloduc 5 est principalement composé de trois parties métalliques : l'évaporateur 51, le condenseur 52 et reliant le condenseur à l'évaporateur, le soufflet 53. L'évaporateur 51 est constitué par une plaque métallique, par exemple en cuivre, qui a la forme d'un disque dans la partie supérieure duquel a été pratiqué un évidement permettant de recevoi.r la WO93J13556 21~ 312 0 PCT/FR92/01228 partie basse du soufflet 53. La partie inférieure de ce disque est, en fonctionnement, appliquée sur le circuit à
refroidir, elle doit etre parfaitement plane et -~on état de surface harmonisé avec celui des circuits à refroidir. Le S condenseur 52 qui a, ici, la même forme et les mêmes caractéristiques que l'évaporateur 51, est symétriquement opposé à ce dernier par rapport au plan médian perpendiculaire à l'axe XX' du soufflet, il reçoit dans son évidement la partie haute du soufflet 53. Le condenseur est en contact et de préférence est fix~ au capot 3. Le soufflet 53 peut être collé, soudé ou brasé, en évitant les baw res, aux parties évidées des évaporateur 51 et condenseur 52 pour former un dispositif hermétique contenant le liquide caloporteur 54. L'homme du métier saura sans difficulté
définir le diamètre et l'épaisseur des plaques métalliques, l'éipaisseur du soufflet et la composition du liquide caloporteur. Cependant, il doit être remarqu~ que l'~paisseur du soufflet doit con~enir ~ la flexibilité
d~sir~e. Une épaisseur trop importante diminue la flexibilité alors qu'une épaisseur trop faible augmente la résistance thermique, cette dernière pouvant être néanmoins réduite en choisisssant un liquide caloporteur adéquat et/ou en augmentant le diamètre des plaques métalliques en contact avec le circuit ~ refroidir.
De plus, afin que les caloducs puissent être utilisés en position horizontale, une mèche 55 peut être adjointe, elle~
sera dans ce cas située le long de l'évaporateur 51. Une telle mèche est de préférence constituée d'un grillage métallique à maille fine.
Selon un second mode de réalisation représenté à la figure 3, chaque dispositif 5a, 5b, 5c, ..., est constitué
principalement d'une plaque métallique supérieure 56 en contact avec le capot 3 et d'une plaque métallique inférieure 57 en contact avec le circuit associé, les plaques 56 et 57 étant reliées entre elles par un soufflet métallique 58 et l'ensemble contenant un fluide 59 bon WO93/13556 2 12~ 120 PCT/FR92/012~8 ' 10 conducteur de la chaleur, par exemple un métal liquide dans la gamme de température désirée comme du gallium ou du mercure. La plaque supérieure 56 comporte en outre un plongeur 56a (maintenu par ou intégr~ à la plaque 56 comme dessiné sur la figure 3) baignant en partie dans le fluide 59. .
Le fluide 59 compense ainsi les différences d'inclinaison et les variations de l'écart entre le plongeur 56a et la plaque inf~rieure 57 induites par les différences d'altitude entre le circuit 2a, 2b, 2c, ..., et le capot 3 et permises par le soufflet métallique 58, alors que la résistance thermique globale du dispositif 5a, 5b, 5c, ..., est conservée de faible ~aleur. La plaque métallique 56 de chacun des dispositifs Sa, 5b, 5c, ..., est de préférence fixée au capot 3, tout moyen pou~ant etre utilisé : colle, soudure, vis, etc, ... tselon le mode de fixation choisi, la lame d'air entre la plaque 56 et le capot 3 existera ou n'existera pas).
. Ce système de refroidissement simple et efficace fonctionne a~antageusement dans les gammes de température classiques de l'électronique, de moins quelques dizaines de C à plus de 100C. Il est de préférence utilisé associé à des modules "multi-puces" de moyenne dissipation, de l'ordre de quelques dizaines de W/cm . 3 ~ 56 2 1 2 3 1 2 0 PCT / FR92 / 01228 The aim of the present invention is to propose a system cooling for "multi-chip" modules preferably of average dissipation, which is simple, effective, not hermetic and which does not have the disadvantages of known systems.
For this, the cooling system of the kind mentioned ~
in the preamble used as a heat exchange medium a flexible metal device with low resistance thermal and is remarkable in that the surfaces of the flexible metal device in contact with both ends, under a determined pressure, with the circuit on the one hand and the cover on the other hand are flat and have a surface condition of flatness and roughness as it allows the control of the two air spaces between the circuit on the one hand and the first of the two ends and secondly, when it exists, between the hood and the second of the two ends, the flexible metal device ~ weak thermal resistance compensating for differences in altitude and angles between the substrate and the different circuits and minimizing thermal resistances in the vicinity of said air gaps, while the differential expansions are automatically compensated by the sliding movement compared to the circuit.
Thus the device chosen as a means of heat exchange, allows flexibility due to its flexibility ensuring full and systematic application of its contact surfaces with the circuit surfaces on the one hand and on the other hand. These contact surfaces are flat and machined or treated to control effectively the air gaps existing at the contacts and obtain thermal resistances of very low value.
The low thermal resistance of the device itself entr ~ ne an overall thermal resistance also low value and therefore efficient heat transfer.
The elasticity of the various devices advantageously guarantees Wog3 / 135 ~ 6 2 12 3 1 2 0 PCT / FR92 / 01228 ~
on the one hand a good application of these on the circuits under relatively low pressure imposed by the hood lorq de -qon association with the substrate and on the other hand a compensation for differential expansions between the substrate and cover. A good yield is thus obtained which authorizes use of the system with multi-module chips of average dissipation without internal presence of a fluid at the "chip" level and therefore without it being necessary to impose a hermetic closure. The yield can also be improved by using level of contacts with circuits and / or by providing heat extraction means at the hood by example a circulation of fluid on the upper surface of this one.
According to a preferred application, the metal device flexible with low thermal resistance is a heat pipe bellows whose é ~ aporateur, a metal plate, is the part in contact with the circuit, the condenser, another metal plate, the part in contact with the cover and the body connecting the aporator to the condenser forms a bellows metallic, the assembly containing a heat transfer fluid.
In this way, the choice of using a heat pipe or 2S heat tube which is a static device for very high thermal conductivity and therefore resistance very low thermal allows efficient transfer of heat from a circuit to the hood. The choice of the use of a heat pipe also entails an important a ~ antage. In fact, with this type of device, the more dissipated power and therefore the energy to be transferred increases and the more the overall thermal resistance decreases, and this non-linear way, while in addition the resistance thermal decreases when the condenser temperature increases (within reasonable limits of course, ie prohibiting the drying of the heat pipe). Also, the bellows body gives this device flexibility desired, 50US a determined pressure, authorizing the WO g3 / 13556 21 2 3 I 2 0 PCT / FRg2 / 01228 s deformation necessary to compensate for differences altitude or tilt. In addition, the plasticity due to choice of material chosen for the bellows, for example a copper alloy, allows to limit the support force and therefore the pressure of the heat pipe on the circuit.
In a preferred embodiment, each heat pipe bellows is fixed by its condenser to the hood, the assembly being associated with the substrate under a pressure determined by through fixing means. ~ so every circuit corresponds to a position of a bellows heat pipe which ~ -will naturally and without adjustment be present and apply to the associated circuit. The flexibility of heat pipe unlike rigid systems of art anterior, necessarily results in the application of a good quality planar contact which promotes diminuti ~ n thermal resistance, while the various dilations are automatically compensated by the movement sliding of the vaporizer with respect to the circuit, movement of small amplitude allowed due to freedom ~
left between heat pipe and circuit. The pressure that the heat pipe must exercise on the circuit, which as it has been w prev ~ demment is of limited value ~ e due to plasticity ~ of the bellows material, is determined by the means of fixing the cover to the substrate. Thus a supporting force for example around 300 to 400 g is usually sufficient, it can be easily obtained when closing of the cover on the substrate by means of screws. In addition as no fixing is planned between a heat pipe and its associated circuit, it follows that no degradation of the circuit is driven, as is often the case in the systems of the prior art, the circuits being, during the removal of the cover, found in their mechanical condition initial.
According to an additional characteristic of the cooling according to in ~ ention, each bellows heat pipe also includes, located along its evaporator, a wick allowing use in the horizontal direction.
WO93 / 13556 PCT / FR92 / 01228 ~
~ ~ 23t20 6 This m ~ che is preferably constituted ~ e of a mesh metallic ~ fine mesh which will allow capillarity to raise the heat transfer fluid when the system ~ me cooling is used with the heat pipes in position horizontal.
The following description with reference to the accompanying drawings, the given as an example, will make it clear how the invention can be realized.
Figure 1 schematically represents a section of a cooling system for "multi-chip" module according to the invention. r Figure 2 shows a section of a device example flexible metal with low thermal resistance usable in the cooling system according to the invention.
Fiaure 3 shows in section another example of a device flexible metal with low thermal resistance usable in the cooling system according to the invention.
In Figure 1 is proposed a section of a system of ~ cooling for "multi-chip" module including a substrate 1 on which is arranged a plurality of circuits electronic 2a, 2bl 2c, ..., substantially flat. A cap partially flat 3 thermally conductive is associated with substrate 1 by means of fixing means 4, by example of screws. The cover 3 coop ~ re with a plurality of heat exchange means 5a, 5b, 5c, ..., each relation on one side respectively with a circuit 2a, 2b, 2c, ..., and on the other with cover 3 to transfer the heat from the associated circuit to the hood.
The heat exchange medium Sa, 5b, 5c, ..., is a low resistance flexible metal device thermal. According to a preferred application, this device is a bellows heat pipe more precisely described with the figure 2. In accordance with the idea of the invention, the surfaces with two ends of the device 5a, 5b, Sc, ..., in contact on the one hand with the circuit 2a, 2b, 2c, ... respectively.
and on the other hand with the cover 3 are flat and are machined or treated so as to present a surface finish of flatness and roughness as it allows the control of two air gaps between, on the one hand the circuit 2a, 2b, 2c, ..., and the first of the two ends and, on the other hand, when it exists, between cover 3 and the second of the two extremities, the flexible metal device with low thermal resistance compensating for differences in altitude and angles between the substrate 1 and the different circuits 2a, 2b, 2c, ..., and minimizing the thermal resistance to in the vicinity of said air gaps, while the expansions different are automatically compensated by the movement ~ sliding with respect to the circuit. So these flat surfaces are in intimate contact minimizing the blade of air and thereby the thermal resistance. Surface condition dis ~ positive ~ is expected to be harmonized with that of circuits whose flatness / roughness is known from their ~ p ~ ci ~ ication thus allowing volume control air between the contact surfaces. In addition, this volume air can be further minimized by adding grease thermal at the contacts. The bearing force of the hood 3 on devices 5a, 5b, 5c, ..., allows to maintain sufficient pressure to ensure contact force m ~ nimal necessary allowing the deformation of the body flexible devices 5a, 5b, Sc, ..., and thus the tilt compensation. This support force is determined by the fixing means 4 of the cover 3 on the substrate 1, its intensity of the order of 300 to 400 g per circuit, is limited due to the plasticity of the bellows thus advantageously reducing the forces applied to circuits.
Of the three devices 5aj 5b, Sc shown in the figure 1, only the device Sa has not undergone deformation, the upper surface of circuit 2a being parallel to the plane of the substrate. The intentionally exaggerated distortion of PCT / FR92 / 01228 ~
wo 93, l3 ~ 6 2 1 2 3 1 2 0 Sb and 5c devices can show that any inclination is automatically and fully compensated while now the integrity of the upper surface of the devices 5a, Sb, 5c, ..., in close contact with the cover 3 and therefore without increasing the thermal resistance.
In a preferred embodiment, the devices 5a, 5b, 5c, ..., are bellows heat pipes, bellows heat pipes including the evaporator, a metal plate, are ~ the part in contact with the circuit, the condenser, another plate metallic, the part in contact with the cover and the body connecting the evaporator to the condenser forms a bellows metallic, the assembly containing a heat transfer fluid.
Sa, Sb, Sc, ... devices are preferably fixed by their condenser on the cover 3, any means of fixing can be used: glue, solder, screws, etc ... (according to the fixing means chosen, the air gap between the condenser and hood will exist or will not exist).
In addition, for modules with higher dissipation, means of pumping and extracting heat can be associated with the cover 3, means which may consist of example in an intimately linked radiator (either integrated or adds) to the hood or a circulation of a fluid on the surface superior of the latter.
In Figure 2 is proposed in section an example of ~
low resistance flexible metal device thermal, here bellows heat pipe, which can be used in the cooling system according to the invention.
The heat pipe 5 is mainly composed of three parts metallic: evaporator 51, condenser 52 and connecting the condenser to the evaporator, the bellows 53. The evaporator 51 is constituted by a metal plate, for example in copper, which has the shape of a disc at the top from which a recess was made to receive the WO93J13556 21 ~ 312 0 PCT / FR92 / 01228 lower part of the bellows 53. The lower part of this disc is, in operation, applied to the circuit at cool, it must be perfectly flat and - ~ on condition surface harmonized with that of the circuits to be cooled. The S condenser 52 which, here, has the same shape and the same characteristics that the evaporator 51 is symmetrically opposite to the latter in relation to the median plane perpendicular to the axis XX 'of the bellows, it receives in its obviously the upper part of the bellows 53. The condenser is in contact and preferably is fixed ~ to the cover 3. The bellows 53 can be glued, welded or brazed, avoiding baw res, to the recessed parts of the evaporator 51 and condenser 52 for form a hermetic device containing the liquid 54. The skilled person will know without difficulty define the diameter and thickness of the metal plates, the thickness of the bellows and the composition of the liquid coolant. However, it should be noted that the thickness of the bellows must be flexible desired. Too much thickness decreases the flexibility when too thin increases the thermal resistance, the latter being nevertheless reduced by choosing an adequate heat transfer liquid and / or by increasing the diameter of the metal plates in contact with the circuit ~ cool.
In addition, so that the heat pipes can be used in horizontal position, a wick 55 can be added, it ~
in this case will be located along the evaporator 51. A
such wick preferably consists of a mesh metallic fine mesh.
According to a second embodiment shown in Figure 3, each device 5a, 5b, 5c, ..., is made up mainly from a top metal plate 56 in contact with cover 3 and a metal plate lower 57 in contact with the associated circuit, the plates 56 and 57 being interconnected by a bellows metallic 58 and the assembly containing a good fluid 59 WO93 / 13556 2 12 ~ 120 PCT / FR92 / 012 ~ 8 '10 conductor of heat, for example a liquid metal in the desired temperature range such as gallium or mercury. The upper plate 56 further includes a plunger 56a (held by or integrated ~ to plate 56 as drawn on figure 3) partially bathed in the fluid 59..
The fluid 59 thus compensates for the differences in inclination and variations in the distance between the plunger 56a and the plate lower 57 induced by differences in altitude between circuit 2a, 2b, 2c, ..., and cover 3 and permitted by the metal bellows 58, while the thermal resistance overall of the device 5a, 5b, 5c, ..., is kept from low ~ alor. The metal plate 56 of each of Sa, 5b, 5c, ... devices is preferably attached to the cover 3, any means that can be used: glue, welding, screws, etc., depending on the method of attachment chosen, the blade air between the plate 56 and the cover 3 will exist or will not exist).
. This simple and efficient cooling system works a ~ advantageously in the conventional temperature ranges of electronics, from minus a few tens of C to more than 100C. It is preferably used in combination with modules "multi-chip" of average dissipation, of the order of a few tens of W / cm.