FR2685816A1 - COOLING SYSTEM FOR "MULTI-CHIP" MODULE. - Google Patents
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Abstract
Description
Système de refroidissement pour module "multi-puces"
La 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 côté avec un circuit et de l'autre avec. le capot pour transférer la chaleur du circuit vers le capot.Cooling system for "multi-chip" module
The present invention relates to a cooling system for a multi-chip module "comprising a substrate on which is arranged a plurality of substantially flat electronic circuits, associated with the substrate a partially flat thermally conductive cover cooperating with a plurality of heat exchange means, each in relation on one side with a circuit and on the other with the hood to transfer heat from the circuit to the hood.
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-vis 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 être nécessairement évacuée 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 piston 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 rapport au plan dudit substrat, dans ce cas seule une partie de l'extrémité inférieure du piston est en contact avec le circuit et le transfert de chaleur n'est alors plus optimal.Such a cooling system is known from European patent application EP-369 115. In this application, a system is described comprising, inter alia, a substrate carrying electronic circuits forming with a cover or cap a hermetic enclosure. In this enclosure, heat exchange means are arranged opposite each circuit. Indeed, each electronic circuit dissipates a certain amount of heat, at least part of which must necessarily be removed in order to allow nominal operation. Thus, a heat exchange means for the transfer of said heat from a circuit to the cover is in the present case constituted by a cylindrical metal piston, the body of which is housed in a cavity located in the thickness of the cover. . A spring disposed in the upper cavity of the piston keeps the lower end of the latter in pressure on the circuit. The heat transfer from the circuit to the piston will be all the more efficient the larger the surface of the piston in contact with the circuit, ideally the lower end of the piston being in a plane parallel to the plane of the electronic circuit. . The axis of the cavity containing the piston is by construction perpendicular to the plane of the substrate and therefore ideally to the plane of the circuit, in this case the entire lower end of the piston is in contact with the circuit. However, in general, on the quantity of circuits mounted on the substrate a non-negligible number of them has an inclination relative to the plane of said substrate, in this case only part of the lower end of the piston is in contact with the circuit and the heat transfer is no longer optimal.
Pour tenter de remédier à cet inconvénient, compte tenu de la rigidité mécanique des pistons, il est prévu alors dans le demande précitée 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 inférieure avec le plan du circuit et imposer ainsi un contact intégral.In an attempt to remedy this drawback, taking into account the mechanical rigidity of the pistons, provision is then made in the aforementioned request to give a frustoconical shape to the piston and to increase the diameter of the cavity in which said piston is housed to allow the latter to take the inclination necessary for the alignment of its lower end with the plane of the circuit and thus impose an integral contact.
Une telle solution comporte néanmoins de sérieux inconvénients. En effet, pour que l'échange de chaleur se fasse de manière efficace, une autre exigence doit être satisfaite : la résistance thermique globale doit être de valeur 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 deux parties de faible épaisseur), la résistance thermique au voisinage des contacts entre le piston et la cavité 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-àdire pour une valeur d'angle d'inclinaison égale ou voisine de celle de l'angle spécifique de la partie tronconique du piston.Such a solution nevertheless has serious drawbacks. Indeed, for the heat exchange to take place effectively, another requirement must be satisfied: the overall thermal resistance must be of value as reduced as possible. However in the present case, if the thermal resistance in the vicinity of the circuit and of the lower part of the piston is low (the contact surface being maximum, this implies an air gap between these two thin parts), the thermal resistance in the vicinity of the contacts between the piston and the cavity, on the other hand, it is of high value and this over most of the range of variation of the inclination of the circuit. Thus, when the angle of inclination of the circuit is zero or of small value, no contact exists between the piston and the cavity, the thermal resistance is consequently high because the air gap surrounding the piston in the cavity has a not insignificant thickness, especially since the diameter of the cavity has been increased. From a certain value of angle of inclination, there is contact between piston and cavity but this contact is quasi-punctual and the value of the thermal resistance even reduced is still not negligible. Finally, the value of the thermal resistance is minimal but still significant for an almost linear contact of the piston with the cavity, that is to say for a value of angle of inclination equal to or close to that of the specific angle of the frustoconical part of the piston.
Le but de la présente invention est de proposer un système de refroidissement pour modules "multi-pucesr' de préférence de dissipation moyenne, qui soit simple, efficace, non hermétique et qui ne présente pas les inconvénients des systèmes connus.The object of the present invention is to provide a cooling system for "multi-chip" modules, preferably of medium dissipation, which is simple, effective, non-hermetic and which does not have the drawbacks of known systems.
Pour cela, le système de refroidissement du genre mentionné dans le préambule est remarquable en ce que le moyen d'échange de chaleur est un dispositif métallique flexible à faible résistance thermique dont les surfaces 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 à 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.For this, the cooling system of the kind mentioned in the preamble is remarkable in that the heat exchange means is a flexible metallic device with low thermal resistance whose surfaces in contact at 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 such that it allows the control of the two air spaces between on the one hand the circuit and the first of the two ends and on the other hand, when there is, between the cover and the second of the two ends, the flexible metallic device with low thermal resistance compensating for the differences in altitude and angles between the substrate and the different circuits and minimizing the thermal resistances in the vicinity of said air spaces.
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.Thus the device chosen as a heat exchange means, by virtue of its flexibility, easy deformation ensuring an integral and systematic application of its contact surfaces with the surfaces of the circuit on the one hand and of the cover on the other hand. These contact surfaces are flat and machined or treated so as to effectively control the air gaps existing at the contacts and obtain thermal resistances of very low value.
La faible résistance thermique du dispositif lui-même entraîne une résistance thermique globale également de faible valeur et donc un transfert efficace de la chaleur.The low thermal resistance of the device itself results in an overall thermal resistance also of low value and therefore an efficient transfer of heat.
L'élasticité des divers dispositifs garantit avantageusement d'une part une bonne application de ceux-ci sur les circuits sous une pression relativement faible imposée par le capot lors de son 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 avec des modules multi- puces" de dissipation moyenne sans présence 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.The elasticity of the various devices advantageously guarantees on the one hand a good application of these on the circuits under a relatively low pressure imposed by the cover during its association with the substrate and on the other hand compensation for the differential expansions between the substrate and cover. A good yield is thus obtained which authorizes use of the system with multi-chip modules "of average dissipation without internal presence of a fluid at the level of the" chips "and therefore without it being necessary to impose a hermetic closure. The efficiency can also be improved by using greases at the level of the contacts with the circuits and / or by providing means for extracting heat at the level of the cover, for example a circulation of fluid on the upper surface of the latter.
Selon une application préférée, le dispositif métallique flexible à faible résistance thermique est un caloduc à soufflet dont l'évaporateur, une plaque métallique, 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'évaporateur au condenseur forme un soufflet métallique, l'ensemble contenant un fluide caloporteur.According to a preferred application, the flexible metallic device with low thermal resistance is a bellows heat pipe of which the evaporator, a metallic plate, is the part in contact with the circuit, the condenser, another metallic plate, the part in contact with the hood and the body connecting the evaporator to the condenser forms a metal bellows, the assembly containing a heat transfer fluid.
De cette manière, le choix d'utilisation d'un caloduc ou tube de chaleur qui est un dispositif statique de conductibilité thermique très élevée et donc de résistance thermique très 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 avantage. 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, sous une pression déterminée, autorisant la 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.In this way, the choice of using a heat pipe or heat tube which is a static device of very high thermal conductivity and therefore of very low thermal resistance allows efficient transfer of heat from a circuit to the hood. The choice of using a heat pipe also has an important advantage. In fact, with this type of device, the more the dissipated power and therefore the energy to be transferred increases and the more the overall thermal resistance decreases, and this in a non-linear manner, while in addition the thermal resistance decreases when the temperature of the condenser increases (within reasonable limits of course, that is to say prohibiting the drying of the heat pipe). Also, the bellows body gives this device the desired flexibility, under a determined pressure, allowing the deformation necessary to compensate for differences in altitude or inclination. In addition, the plasticity due to the choice of material chosen for the bellows, for example a copper alloy, makes it possible to limit the bearing force and therefore the pressure of the heat pipe on the 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. Ainsi à chaque circuit correspond une position d'un caloduc à soufflet qui viendra de manière naturelle et sans réglage se présenter et s'appliquer sur le circuit associé. La flexibilité du caloduc contrairement aux systèmes rigides de l'art antérieur, entraîne nécessairement lors de l'application un contact planaire de bonne qualité qui favorise la diminution de la résistance thermique, alors que les diverses dilatations sont automatiquement compensées par le mouvement de glissement de l'évaporateur par rapport au circuit, mouvement de faible amplitude permis du fait de la liberté laissée entre caloduc et circuit. La pression que le caloduc doit exercer sur le circuit , qui comme cela a été vu précédemment est de valeur limitée du fait de la plasticité du matériau du soufflet, est déterminée pat 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.In a preferred embodiment, each bellows heat pipe is fixed by its condenser to the cover, the assembly being associated with the substrate under a pressure determined by means of fixing means. Thus, each circuit corresponds to a position of a bellows heat pipe which will come naturally and without adjustment to appear and be applied to the associated circuit. The flexibility of the heat pipe, unlike the rigid systems of the prior art, necessarily results in application of a good quality planar contact which favors the decrease in thermal resistance, while the various expansions are automatically compensated for by the sliding movement of the evaporator relative to the circuit, movement of small amplitude allowed because of the freedom left between heat pipe and circuit. The pressure that the heat pipe must exert on the circuit, which as has been seen previously is of limited value due to the plasticity of the material of the bellows, is determined by the means for fixing the cover to the substrate. Thus a bearing force for example of around 300 to 400 g is generally sufficient, this can be easily obtained when the cover is closed on the substrate by means of screws. Furthermore, since no fixing is provided between a heat pipe and its associated circuit, it follows that no degradation of the circuit is caused, as is often the case in the systems of the prior art, the circuits being , during the removal of the cover, found in their initial mechanical state.
Selon une caractéristique additionnelle du système de refroidissement selon l'invention, chaque caloduc à soufflet comporte également, située le long de son évaporateur, une mèche autorisant une utilisation dans le sens horizontal.According to an additional characteristic of the cooling system according to the invention, each bellows heat pipe also comprises, located along its evaporator, a wick allowing use in the horizontal direction.
Cette mèche est de préférence constituée d'un grillage métallique à maille fine qui permettra ainsi par capillarité de faire remonter le fluide caloporteur lorsque le système de refroidissement est utilisé avec les caloducs en position horizontale.This wick is preferably made of a fine mesh metal mesh which will allow capillary action to raise the heat transfer fluid when the cooling system is used with the heat pipes in a horizontal position.
La description suivante en regard des dessins annexé, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée.The following description with reference to the appended drawings, all given by way of example, will make it clear how the invention can be implemented.
La figure 1 représente de manière schématique une coupe d'un système de refroidissement pour module trmulti-puces" selon l'invention.FIG. 1 schematically represents a section of a cooling system for a multi-chip module "according to the invention.
La figure 2 montre en coupe un exemple de dispositif métallique flexible à faible résistance thermique utilisable dans le système de refroidissement selon l'invention.FIG. 2 shows in section an example of a flexible metallic device with low thermal resistance usable in the cooling system according to the invention.
La figure 3 présente en coupe un autre exemple de dispositif métallique flexible à faible résistance thermique utilisable dans le système de refroidissement selon l'invention.Figure 3 shows in section another example of flexible metal device with low thermal resistance usable in the cooling system according to the 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 pluralité de circuits électroniques 2a, 2b, 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 coopère 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.In Figure 1 is proposed a section of a cooling system for multi-chip module "comprising a substrate 1 on which is arranged a plurality of electronic circuits 2a, 2b, 2c, ..., substantially flat. A partially flat cover 3 thermally conductive is associated with the substrate 1 by means of fixing means 4, for example screws The cover 3 cooperates with a plurality of heat exchange means 5a, 5b, 5c, ..., each in relation on one side respectively with a circuit 2a, 2b, 2c, ..., and on the other with the cover 3 to transfer the heat from the associated circuit to the cover.
Conformément à l'idée de l'invention, le moyen d'échange de chaleur 5a, 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. Les surfaces aux deux extrémités du dispositif 5a, 5b, 5c, 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 manière à présenter 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 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 extrémités, 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.In accordance with the idea of the invention, the heat exchange means 5a, 5b, 5c, ..., is a flexible metallic device with low thermal resistance. According to a preferred application, this device is a bellows heat pipe more precisely described with FIG. 2. The surfaces at the two ends of the device 5a, 5b, 5c, 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 state of flatness and roughness such that it allows the control of the two air spaces between, of share the circuit 2a, 2b, 2c, ..., and the first of the two ends and, on the other hand, when it exists, between the cover 3 and the second of the two ends, the flexible metallic device with low thermal resistance compensating for the differences in altitude and angles between the substrate 1 and the different circuits 2a, 2b, 2c, ..., and minimizing the thermal resistances in the vicinity of said air gaps.
Ainsi ces surfaces planes sont en contact intime minimisant la lame d'air et par là la. résistance thermique. L'état de surface des dispositifs est prévu pour être harmonisé avec celui des circuits dont la planéité/rugosité est connue de leur spécification 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 minimale nécessaire autorisant la déformation du corps flexible des dispositifs 5a, 5b, 5c, ..., 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.Thus these planar surfaces are in intimate contact minimizing the air gap and thereby. thermal resistance. The surface condition of the devices is designed to be harmonized with that of the circuits whose flatness / roughness is known from their specification, thereby enabling the control of the air volume between the contact surfaces. In addition, this volume of air can be further minimized by adding thermal grease to the contacts. The bearing force of the cover 3 on the devices 5a, 5b, 5c, ... makes it possible to maintain a sufficient pressure to ensure the minimum contact force necessary allowing the deformation of the flexible body of the devices 5a, 5b, 5c,. .., and thus the compensation of the inclinations. This bearing 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 on the circuits.
Des trois dispositifs 5a, 5b, 5c représentés sur la figure 1, seul le dispositif 5 n'a pas subi de déformation, la surface supérieure du circuit 2a étant parallèle au plan du substrat. La déformation, volontairement exagérée, des dispositifs 5b et 5c permet de montrer que toute inclinaison est automatiquement et entièrement compensée tout en
maintenant l'intégralité de la surface supérieure des
dispositifs 5a, 5b, 5c, ..., en contact étroit avec le capot
3 et donc sans augmentation de la résistance thermique.Of the three devices 5a, 5b, 5c shown in FIG. 1, only the device 5 has not undergone deformation, the upper surface of the circuit 2a being parallel to the plane of the substrate. The deformation, deliberately exaggerated, of the devices 5b and 5c shows that any inclination is automatically and fully compensated while
now the entire upper surface of
devices 5a, 5b, 5c, ..., in close contact with the cover
3 and therefore without increasing the thermal resistance.
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, 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'évaporateur au condenseur forme un soufflet
métallique, l'ensemble contenant un fluide caloporteur.In a preferred embodiment, the devices 5a, 5b,
5c, ..., are bellows heat pipes, bellows heat pipes
of which the evaporator, a metal plate, is 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.
Les dispositifs 5a, 5b, 5c, ..., sont de préférence 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).The devices 5a, 5b, 5c, ..., 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).
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
ajouté) au capot ou une circulation d'un fluide à la surface
supérieure de ce dernier.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
added) to the hood or a circulation of a fluid on the surface
superior of the latter.
Sur la figure 2 est proposé en coupe un exemple de
dispositif métallique flexible à faible résistance
thermique, ici caloduc à soufflet, pouvant être utilisé dans
le système de refroidissement selon l'invention.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.
Le caloduc 5 est principalement composé de trois parties
métalliques : 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 recevoir la
partie basse du soufflet 53. La partie inférieure de ce
disque est, en fonctionnement, appliquée sur le circuit à refroidir, elle doit être parfaitement plane et son état de surface harmonisé avec celui des circuits à refroidir. Le 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 fixé au capot 3. Le soufflet 53 peut être collé, soudé ou brasé, en évitant les bavures, 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'épaisseur du soufflet et la composition du liquide caloporteur. Cependant, .il doit être remarqué que l'épaisseur du soufflet doit convenir à la flexibilité désirée. 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 àrefroidir. 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
lower part of the bellows 53. The lower part of this
disc is, in operation, applied to the circuit to be cooled, it must be perfectly flat and its surface finish harmonized with that of the circuits to be cooled. The condenser 52 which has, here, the same shape and the same characteristics as the evaporator 51, is symmetrically opposite the latter relative to the median plane perpendicular to the axis XX 'of the bellows, it receives in its recess 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 burrs, to the hollow parts of the evaporator 51 and condenser 52 to form a hermetic device containing the heat transfer liquid 54. A person skilled in the art will be able to easily define the diameter and the thickness of the metal plates, the thickness of the bellows and the composition of the heat transfer liquid. However, it should be noted that the thickness of the bellows must be suitable for the desired flexibility. Too large a thickness decreases the flexibility while a too small thickness increases the thermal resistance, the latter possibly being reduced by choosing an adequate heat transfer liquid and / or by increasing the diameter of the metal plates in contact with the circuit to be cooled.
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.In addition, so that the heat pipes can be used in a horizontal position, a wick 55 can be added, it will in this case be located along the evaporator 51. Such a wick is preferably made of a fine mesh metal mesh. .
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 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 intégré à la plaque 56 comme dessiné sur la figure 3) baignant en partie dans le fluide 59.According to a second embodiment shown in Figure 3, each device 5a, 5b, 5c, ..., consists mainly of an upper metal plate 56 in contact with the cover 3 and a lower metal plate 57 in contact with the associated circuit, the plates 56 and 57 being connected together by a metal bellows 58 and the assembly containing a fluid 59 good conductor of heat, for example a liquid metal in the desired temperature range such as gallium or mercury . The upper plate 56 also comprises a plunger 56a (maintained by or integrated into the plate 56 as drawn in FIG. 3) partially bathing in the fluid 59.
Le fluide 59 compense ainsi les différences d'inclinaison et les variations de l'écart entre le plongeur 56a et la plaque inférieure 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 valeur. La plaque métallique 56 de chacun des dispositifs 5a, 5b, 5c, ..., est de préférence fixée au capot 3, tout moyen pouvant être utilisé : colle, soudure, vis, etc, ... (selon le mode de fixation choisi, la lame d'air entre la plaque 56 et le capot 3 existera ou n existera pas).The fluid 59 thus compensates for the differences in inclination and the variations in the difference between the plunger 56a and the bottom plate 57 induced by the differences in altitude between the circuit 2a, 2b, 2c, ..., and the cover 3 and allowed by the metal bellows 58, while the overall thermal resistance of the device 5a, 5b, 5c, ..., is kept of low value. The metal plate 56 of each of the devices 5a, 5b, 5c, ..., is preferably fixed to the cover 3, any means that can be used: glue, welding, screws, etc., ... (depending on the method of fixing chosen , the air gap between the plate 56 and the cover 3 will exist or will not exist).
Ce système de refroidissement simple et efficace fonctionne avantageusement dans les gammes de température classiques de l'électronique, de moins quelques dizaines de C à plus de 100 C. Il est de préférence utilisé associé à des modules "multi-puces" de moyenne dissipation, de l'ordre de quelques dizaines de W/cm2. This simple and efficient cooling system advantageously operates in the conventional temperature ranges of electronics, from less than a few tens of C to more than 100 C. It is preferably used in combination with "multi-chip" modules of average dissipation, on the order of a few tens of W / cm2.
Claims (9)
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9116309A FR2685816A1 (en) | 1991-12-30 | 1991-12-30 | COOLING SYSTEM FOR "MULTI-CHIP" MODULE. |
| JP5511492A JPH06510638A (en) | 1991-12-30 | 1992-12-22 | Cooling system for multiple chip modules |
| EP93902370A EP0619919A1 (en) | 1991-12-30 | 1992-12-22 | Multichip module cooling system |
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Applications Claiming Priority (1)
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Family Applications (1)
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|---|---|
| JPH06510638A (en) | 1994-11-24 |
| CA2123120A1 (en) | 1993-07-08 |
| WO1993013556A1 (en) | 1993-07-08 |
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