FR2760593A1 - Ensemble electrique a forte dissipation de chaleur - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un ensemble électronique ayant une forte dissipation de chaleur.Un substrat (30) est réalisé sous la forme d'un échangeur de chaleur plan et poreux (34) et d'une plaque (42) à orifices traversée de plusieurs ouvertures (44) . Un dispositif électronique (32) est monté sur la plaque (42) à orifices. Un fluide de refroidissement tel que de l'air ou un autre gaz est mis en circulation forcée à travers l'échangeur de chaleur (34) et les ouvertures (44) de la plaque (42) pour éliminer la chaleur dégagée par le dispositif électronique (32) . Domaine d'application : ensembles électroniques pour avions, vaisseaux spatiaux, etc.

Description

L'invention concerne des ensembles électroniques, et plus particulièrement une structure de support et de boîtier pour de tels ensembles, qui atteint des débits élevés de dissipation de chaleur.
Un défit majeur dans la conception de dispositifs électroniques complexes tels que des ordinateurs et des automates programmables spécialisés est de produire des circuits électroniques toujours plus puissants et toujours plus complexes dans de petits boîtiers. Les petits boîtiers signifient une réduction de poids et de dimensions, et une augmentation de la vitesse de fonctionnement. Les techniques de fabrication en microélectronique ont fait l'objet de progrès importants qui permettent de fabriquer des éléments de circuit en grands nombres sur des microplaquettes ou puces individuelles, lesquelles sont elles-mêmes fixées à une structure de support. Cependant, la poursuite de la miniaturisation de nombreux composants électroniques est limitée non pas par les techniques de fabrication des puces, mais plutôt par la dissipation de la chaleur.
Les dispositifs électroniques dégagent de la chaleur lorsqu' ils fonctionnent. Avec la diminution des dimensions des dispositifs électroniques et de leurs structures de support, la production de chaleur par unité de volume augmente. Dans un exemple auquel les inventeurs s'intéressent, un processeur électronique classique de signaux utilisant l'architecture à modules multiples commune dans les années 1980 dégage environ 0,069 watt de chaleur par centimètre cube de volume du dispositif électronique, lorsqu'il fonctionne. Dans un processeur électronique des signaux produit dans le futur, utilisant des modules superposés à puces multiples pour réduire notablement les dimensions et le volume du dispositif, il est prévu que le processeur électronique de signaux produise 0,33 watt de chaleur par centimètre cube de volume, soit 4 à 5 fois la charge thermique volumétrique de la technologie de la génération des années 1980.
Pour qu'un dispositif électronique tel que le processeur électronique de signaux fonctionne convenablement, la chaleur produite par le dispositif électronique doit être dissipée afin qu'il reste dans ses limites de température de fonctionnement. On connaît diverses techniques d'élimination de la chaleur, telles qu'un refroidissement par circulation d'air forcée, l'utilisation d'ailettes de refroidissement, de canaux de refroidissement, de caloducs et analogues. Bien que ces approchent connues fonctionnent à divers degrés, les inventeurs ont prévu que les techniques de refroidissement dont on dispose ne sont pas suffisantes pour maintenir aisément dans leurs limites de températures de fonctionnement des dispositifs électroniques futurs tels que le processeur électronique des signaux à puces multiples décrit ci-dessus.
On a besoin d'une approche perfectionnée en ce qui concerne l'architecture et la structure de dispositifs électroniques et de leurs boîtiers pour permettre la miniaturisation des structures, tout en maintenant les dispositifs dans des limites de températures de fonctionnement satisfaisantes. L'invention répond à ce besoin et présente d'autres avantages associés.
L'invention propose un ensemble électronique, comprenant les dispositifs électroniques, la mise sous boîtier et la structure de support. La dissipation de chaleur disponible, à partir de l'ensemble électronique, est très forte. Cet ensemble électronique convient particulièrement à une utilisation dans le cas où les charges thermiques volumétriques des dispositifs électroniques sont grandes, comme dans le cas où la dimension de l'ensemble est très petite. L'ensemble électronique est léger, de faible dimension, aisé à réparer et robuste, en sorte qu'il convient à une large diversité d'applications électroniques civiles et militaires.
Conformément à l'invention, un ensemble électronique comporte un substrat ayant un ensemble à échangeur de chaleur comportant un échangeur de chaleur plan et poreux, et une plaque à orifices s'étendant au-dessus de l'échangeur de chaleur et en contact thermique avec lui. La plaque à orifices est traversée de plusieurs ouvertures. Un dispositif électronique est monté sur le substrat.
L'échangeur de chaleur plan et poreux est formé d'une matière poreuse telle qu'une mousse ou des fibres d'une matière céramique de conductivité thermique relativement élevée, du carbure de silicium étant avantageux. La matière poreuse présente une surface spécifique élevée par unité de volume pour l'échangeur de chaleur. La plaque à orifices est formée de toute matière convenable à travers laquelle des ouvertures peuvent être formées et qui présente une conductivité thermique relativement élevée. Des métaux tels que l'aluminium ou des céramiques telles que l'oxyde d'aluminium peuvent être utilisés. La plaque à orifices peut être formée de la même matière que celle de l'échangeur de chaleur, et elle peut être soit fixée à l'échangeur de chaleur, soit réalisée d'un seul bloc avec celui-ci. Le dispositif électronique qui dégage de la chaleur est fixé ou intégré à la plaque à orifices.
En fonctionnement, de la chaleur produite par le dispositif électronique est conduite à la plaque à orifices et, de celle-ci, au moins en partie, à l'échangeur de chaleur. Un fluide de refroidissement tel qu'un gaz ou un liquide est mis en circulation forcée à travers l'échangeur de chaleur poreux et à travers les ouvertures de la plaque à orifices. Le fluide de refroidissement est avantageusement un gaz de refroidissement tel que l'air. De la chaleur est échangée de l'échangeur de chaleur poreux au gaz de refroidissement, lequel passe ensuite dans les ouvertures pour évacuer la chaleur de l'ensemble électronique. L'écoulement de fluide de refroidissement peut également être dirigé de façon à passer autour du dispositif électronique dans certaines configurations.
Cette approche est utilisée de façon souhaitable dans une structure modulaire à puces multiples dans laquelle deux ou plus de deux ensembles électroniques sont assemblés dans une disposition face à face, mais espacée. Chacun des ensembles, appelé module dans le groupement, comporte la structure de substrat stratifié décrite ci-dessus. les modules électroniques sont avantageusement montés à l'intérieur d'une enveloppe qui les maintient dans une disposition fixe et guide le courant de fluide de refroidissement traversant les modules électroniques en série. Une interconnexion électrique est habituellement demandée entre les modules électroniques. L'interconnexion électrique est avantageusement réalisée par une structure en anneau à la périphérie des modules électroniques. Des chemins électriquement conducteurs s'étendent longitudinalement à travers l'anneau pour réaliser l'interconnexion électrique entre les modules. Cette structure d'interconnexion ne fait pas obstacle à la circulation du fluide de refroidissement en série à travers les modules.
Cette architecture et cette structure des ensembles électroniques procurent une dissipation de chaleur très supérieure à celle possible avec des ailettes, des canaux de refroidissement, des caloducs et d'autres techniques classiques de dissipation de la chaleur. Des études comparatives ont démontré que la température du dispositif électronique est beaucoup plus basse lorsque la présente approche est utilisée, en comparaison avec des approches antérieures. De plus, la chute de pression dans le fluide de refroidissement à travers chaque module, ou à travers un groupement de modules, est relativement faible. Ce dernier point est une considération importante pour minimiser le poids total du système, car une forte chute de pression nécessiterait l'utilisation de ventilateurs, soufflantes, pompes ou autres sources d'application de pression relativement grandes pour faire circuler le fluide de refroidissement. Le fluide de refroidissement peut être rejeté après utilisation dans une version en circuit ouvert de la présente invention. Un circuit fermé de recyclage comportant un radiateur pour éliminer la chaleur du fluide de refroidissement peut autrement être utilisée.
L'invention apporte un progrès important dans le domaine des ensembles et des modules électroniques, et de leur mise sous boîtier et de leur dissipation de chaleur.
Elle permet l'utilisation en pratique de la technologie de la miniaturisation de l'électronique, ce qui aboutit à des réductions supplémentaires de poids et de volume des ensembles électroniques demandés. La chute de pression à travers l'ensemble à échangeur de chaleur, résultant de la circulation du fluide de refroidissement, est relativement faible, en sorte qu'on peut utiliser une source de pression relativement faible.
L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels
la figure 1 est une vue en perspective partiellement éclatée d'un module à puces multiples et de son enveloppe
la figure 2 est une vue en coupe schématique partielle de deux modules de la structure de la figure 1
la figure 3A est une vue en plan d'une première forme de réalisation d'un échangeur de chaleur plan et poreux
la figure 3B est une vue en élévation latérale de plan et la première forme de réalisation de l'échangeur de chaleur plan et poreux
la figure 4 est une vue en élévation latérale d'une deuxième forme de réalisation de l'échangeur de chaleur plan et poreux
la figure 5 est une vue en élévation latérale d'une troisième forme de réalisation de l'échangeur de chaleur plan et poreux
la figure 6 est une vue en plan d'une forme de réalisation de la plaque à orifices
la figure 7 est une vue schématique d'un système de refroidissement à cycle ouvert
la figure 8 est une vue schématique d'un système de refroidissement à cycle fermé
la figure 9 est un graphique de la chute de pression en fonction du débit d'écoulement du fluide de refroidissement
la figure 10 est un graphique de la température en fonction du débit d'écoulement du fluide de refroidissement
la figure 11 est une vue en coupe schématique d'une première forme de réalisation d'un ensemble électronique comportant une couche d'interconnexion électrique configurée suivant un motif
la figure 12 est une vue en coupe schématique d'une deuxième forme de réalisation d'un ensemble électronique comportant une couche d'interconnexion électrique configurée suivant un motif
la figure 13 est une vue en coupe schématique d'une troisième forme de réalisation d'un ensemble électronique comportant une couche d'interconnexion électrique configurée suivant un motif ; et
la figure 14 est une vue en coupe schématique d'une quatrième forme de réalisation d'un ensemble électronique comportant une couche d'interconnexion électrique configurée suivant un motif.
La figure 1 illustre un ensemble modulaire 20 à puces multiples utilisant l'approche de l'invention. L'ensemble modulaire 20 à puces multiples comprend au moins un, et avantageusement plusieurs, modules globalement plans 22 supportés à l'intérieur d'une enveloppe 24. Chacun des modules, tels que les modules 22a et 22b, est séparé par un anneau périphérique 26. Un gaz ou liquide de refroidissement est mis en circulation forcée à l'intérieur de l'enveloppe par un type approprié de soufflante, de ventilateur ou de pompe, l'écoulement du fluide de refroidissement étant indiqué schématiquement par la référence numérique 28.
L'écoulement du fluide de refroidissement est globalement perpendiculaire au plan des ensembles modulaires.
La figure 2 montre des modules 22a et 22b plus en détail, ainsi que leur interconnexion. Les modules sont globalement plans, des composants électroniques étant montés sur eux. Chacun des modules comprend un substrat 30 sur lequel un ou plusieurs dispositifs électroniques 32 sont montés. Les dispositifs électroniques 32 peuvent être des circuits intégrés ou des composants discrets, actifs ou passifs, ou toute autre forme fonctionnelle de dispositifs.
Les divers dispositifs électroniques 32 situés sur un module quelconque peuvent être interconnectés par des pistes, des fils de connexion, des connecteurs à fiches, des connecteurs à bosses ou toutes formes fonctionnelles de moyen d'interconnexion, dont certains seront décrits plus en détail en regard des figures 11 à 14. Le type spécifique des dispositifs électroniques et des structures utilisés n'a aucune conséquence pour l'invention et celle-ci convient à une large gamme de ces dispositifs.
Le substrat 30 comporte au moins deux couches qui constituent un ensemble à échangeur de chaleur. La première couche est un échangeur de chaleur 34 formé d'une matière solide poreuse qui permet le passage à travers elle d'un fluide de refroidissement tel qu'un gaz, le plus avantageusement de l'air, avec une résistance minimale à l'écoulement et une chute minimale de pression. L'échangeur de chaleur 34 est avantageusement sous la forme d'une couche formée de la matière poreuse. Lorsque le module 22 fonctionne, le disposi tif électronique 32 dégage de la chaleur. La chaleur est conduite à l'échangeur de chaleur 34. L'écoulement d'air ou d'un autre fluide de refroidissement gazeux ou liquide à travers la structure poreuse de l'échangeur de chaleur fait passer la chaleur dans l'écoulement du fluide de refroidissement, et la chaleur est évacuée avec le flux du fluide de refroidissement.
Il est souhaitable que l'échangeur de chaleur 34 soit poreux du fait de la nature de la matière le constituant. On peut utiliser toute matière poreuse pouvant fonctionner pour l'échangeur de chaleur. Les figures 3 à 5 illustrent trois types de matière pour échangeur de chaleur, celle de la figure 5 étant la plus avantageuse.
La matière poreuse de l'échangeur de chaleur, comme vu sur les figures 3A et 3B, est un mat 36 formé de plusieurs fibres espacées 38. Le mat 36 peut être tissé ou non tissé, mais est avantageusement tissé pour des raisons de stabilité de structure et de solidité modérée, comme illustré, puis il peut être légèrement fritté pour des raisons de solidité. Les fibres 38 peuvent être formées de toute matière convenable, mais sont avantageusement en une matière céramique de conductivité thermique relativement élevée. Les fibres 36 sont le plus avantageusement des fibres de carbure de silicium d'un diamètre quelconque, mais elles peuvent être également formées d'oxyde d'aluminium, de nitrure d'aluminium ou d'oxyde de béryllium. Il est possible, bien que cela ne soit pas préféré, d'utiliser des fibres métalliques telles que des fibres d'aluminium ou de cuivre. La structure du mat 36 présente un rapport de la surface spécifique au volume d'une valeur élevée, ce qui est une caractéristique souhaitable pour un échangeur de chaleur. Le mat 36 présente avantageusement une fraction volumique d'espace ouvert (porosité) d'environ 0,7 à environ 0,9. Si la fraction de volume de porosité est inférieure à environ 0,7, le rendement de l'échangeur de chaleur est trop faible. Si la fraction de volume de porosité est supérieure à environ 0,9, la matière de l'échangeur de chaleur devient structurellement instable.
Le mat 36 présente de façon souhaitable un rapport surface/volume d'au moins environ 1 x 104 centimètres carrés par centimètre cube, pour qu'on obtienne un échange de chaleur efficace.
La matière poreuse de l'échangeur de chaleur 34 peut être tout aussi bien d'autres formes. La figure 4 illustre une structure frittée 40 à cellules ouvertes, formée de fibres ou de particules frittées de même matière que celle décrite pour la structure du mat. Cette matière est également poreuse afin que l'écoulement du fluide de refroidissement puisse la traverser. Cette structure frittée est moins souhaitable que la structure du mat des figures 3A et 3B, car il est alors plus difficile de réaliser un échangeur de chaleur ayant une porosité ajustée, relativement élevée.
La matière poreuse de l'échangeur de chaleur peut également être une mousse 41 ayant une porosité à cellules ouvertes, comme illustré schématiquement sur la figure 5. La mousse 41 est formée de l'un quelconque des types de matière décrits précédemment. Par exemple, des mousses de carbure de silicium à cellules ouvertes sont communément disponibles pour une utilisation dans d'autres applications.
La seconde couche de l'ensemble à échangeur de chaleur du substrat 40 est une plaque 42 à orifices. La plaque à orifices est une plaque plate formée de toute matière convenable, ayant une conductivité thermique bonne à excellente, telle qu'un métal ou une céramique. Les céramiques sont les plus avantageuses, car elles établissent un degré d'isolation électrique entre des dispositifs adjacents 32. Le métal préféré est l'aluminium, et les céramiques préférées sont à base d'aluminium, de carbure de silicium, d'oxyde d'aluminium, de nitrure d'aluminium, d'oxyde de béryllium et de diamant. La plaque 42 à orifices s'étend audessus de l'échangeur de chaleur 34 et la plaque et l'échan geur de chaleur sont en communication thermique par leurs faces, pour assurer le bon écoulement de la chaleur de la plaque à orifices 42 vers l'intérieur de l'échangeur de chaleur 34 pendant le fonctionnement.
La plaque à orifices 42 et l'échangeur de chaleur 34 peuvent être fabriqués séparément, en étant constitués de la même matière ou de matières différentes, et joints, ou bien ils peuvent être fabriqués sous la forme d'une unité monobloc. Lorsqu'ils sont fabriqués séparément, la plaque à orifices 42 est avantageusement jointe à l'échangeur de chaleur 34 par un composé de dissipation de la chaleur, thermiquement conducteur tel qu'une silicone qui est chargée d'un conducteur de la chaleur tel que de l'oxyde d'aluminium.
Lorsqu'ils sont fabriqués en un seul bloc, la plaque à orifices est habituellement réalisée sous la forme d'une zone de la surface de la matière de l'échangeur de chaleur. Par exemple, on peut densifier la surface supérieure d'une matière du type mousse de carbure de silicium par dépôt d'une matière supplémentaire à base de carbure de silicium dans la couche supérieure de la mousse, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur. Ensuite, les ouvertures (décrites ci-après) sont formées à travers uniquement la partie densifiée de la matière à base de carbure de silicium.
La plaque à orifices 42 est traversée par de nombreuses ouvertures 44. Le flux de refroidissement qui s'écoule à travers l'échangeur de chaleur 34 s'écoule ensuite à travers les ouvertures 44 de la plaque à orifices 42, puis s'éloigne du module 22. Bien qu'il y ait une certaine transmission de la chaleur de la plaque à orifices 42 à l'écoulement 28 du fluide de refroidissement, la transmission de la chaleur au courant de fluide de refroidissement a lieu dans sa grande majorité dans l'échangeur de chaleur 34. Les dispositifs électroniques 32 sont montés sur le côté de la plaque à orifices 42 éloigné de l'échangeur de chaleur 34, et en communication thermique avec ce côté, dans les zones situées entre les ouvertures 44.
Dans une technologie, appelée "puces à protubérances", les dispositifs électroniques sont montés dans un état retourné et sont connectés à un motif de pistes sur le substrat au moyen de connecteurs 45 à protubérances. Ces dispositifs électroniques 32 à puces à protubérances peuvent être montés au-dessus des ouvertures 44 dans certains cas, afin que le courant du fluide de refroidissement passant dans les ouvertures 44 entre en contact direct avec la face du dispositif et élimine la chaleur d'une manière très efficace.
Les ouvertures 44 de la plaque 42 à orifices peuvent être de toute dimension et dans toute position fonctionnellement utiles. Comme montré sur la figure 1, les ouvertures 44 peuvent être dimensionnées et espacées de façon irrégulière en fonction de l'agencement des dispositifs électroniques. Comme représenté dans une autre forme de réalisation sur la figure 6, les ouvertures 44 peuvent être disposées de façon régulière. Dans toutes les formes de réalisation, il est souhaitable que le rapport de l'aire des ouvertures 44 à l'aire totale de la plaque 42 à orifices soit aussi grand que possible, avec la limitation imposée par la nécessité d'un espace suffisant pour le montage du dispositif 32 et la mise en place des interconnexions électriques entre eux, de façon à réduire la résistance opposée à l'écoulement du fluide de refroidissement et donc la chute de pression dans le fluide de refroidissement à travers le substrat 30.
Une diminution de la chute de pression permet de réduire les dimensions du ventilateur, de la soufflante, de la pompe ou autre source de pression faisant circuler le fluide de refroidissement.
Dans la forme avantageuse de réalisation telle que représentée sur les figures 1 et 2, deux ou plus des modules 22a et 22b sont assemblés dans une disposition face à face, mais espacés l'un de l'autre, à l'intérieur de l'enveloppe 24. Les modules 22a et 22b sont espacés le long de l'axe longitudinal 46 d'écoulement de l'enveloppe 24. Sur la figure 1, le module 22 et l'enveloppe 24 sont illustrés sous une forme cylindrique, mais ils peuvent plutôt être carrés, rectangulaires ou de toute forme fonctionnelle.
Des interconnexions électriques entre des dispositifs adjacents 32 sur l'un quelconque des modules 22 sont réalisées par des procédés classiques telles que la formation de motifs de pistes, des liaisons par fils ou des connecteurs à fiches. Cependant, il est nécessaire, dans de nombreux cas, d'établir des interconnexions électriques entre les modules adjacents 22a et 22b. L'anneau périphérique 26 placé entre chaque paire de modules adjacents 22a et 22b positionne le module à l'intérieur de l'enveloppe 24 et maintient les modules dans la disposition espacée souhaitée, isole électriquement les modules l'un de l'autre à l'exception des interconnexions électriques prévues, et réalise aussi des interconnexions électriques entre les modules adjacents. L'anneau 26 est en contact avec le substrat 30 uniquement à proximité de sa périphérie et à sa périphérie, comme montré sur la figure 2, afin que l'anneau ne fasse pas obstacle à l'écoulement du fluide de refroidissement à travers le substrat. L'anneau 26 est avantageusement formé d'une matière non conductrice du courant électrique telle qu'une céramique et il est le plus avantageusement réalisé en oxyde d'aluminium. L'épaisseur de l'anneau dans la direction de l'axe longitudinal 46 est choisie de façon à espacer les modules adjacents de toute distance nécessaire pour laisser un espace libre pour les dispositifs 32 montés sur la face de chaque module.
Des voies conductrices du courant électrique sont prévues comme nécessaires entre des modules adjacents 22a et 22b, à travers l'anneau 26 et les éléments associés. Dans une approche avantageuse, l'anneau 26 est traversé de plusieurs trous 48 de communication s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal 46. Les trous de communication 48 sont des ouvertures tubulaires qui sont remplies d'un conducteur électrique tel qu'un métal, par dépôt en phase vapeur ou par toute autre technique fonctionnelle. Autant de trous de communication qu'il est nécessaire sont réalisés pour établir les interconnexions nécessaires entre les modules. L'aluminium est le métal préféré remplissant les ouvertures tubulaires. L'interconnexion électrique entre les extrémités des trous de communication et les dispositifs 32 est réalisée par des connexions par fil 50 ou par des motifs de pistes 52 sur la surface supérieure de la plaque à orifices 42, qui s'étendent jusqu'à des plots auxquels des fils de liaison 54 menant aux dispositifs électriques 32 sont connectés.
Pour réaliser la partie restante du circuit conducteur du courant électrique et assurer l'étanchéité contre la fuite du fluide de refroidissement, une garniture 56 conductrice du courant électrique de façon anisotrope est placée entre les anneaux 26 adjacents longitudinalement. La garniture est conductrice du courant électrique parallèlement à l'axe longitudinal 46, mais elle n'est pas conductrice du courant électrique dans d'autres directions comprenant les directions circonférentielle et radiales. De telles garnitures sont disponibles dans le commerce auprès de les firmes AT & T, Fuji Electrice, et d'autres compagnies. La garniture, également, amortit et répartit tous chocs ou efforts introduits dans le système, réduisant le risque de détérioration des composants céramiques du système. Un adhésif initialement souple, ayant des propriétés comparables, peut être utilisé en tant que garniture.
En service et lors de l'utilisation de l'air ou d'un autre gaz en tant que fluide de refroidissement, l'ensemble modulaire 20 à puces multiples est raccordé à l'extrémité à haute pression d'une source de pression telle qu'une soufflante 60, comme représentée sur les figures 7 et 8, pour produire l'écoulement 28 de fluide de refroidissement. La pression peut être comme demandée, mais les inventeurs ont obtenu d'excellents résultats avec de l'air sous une pression de 210 kPa. On peut utiliser toute autre source de haute pression appropriée et fonctionnelle à la place de la soufflante, telle qu'un ventilateur, une pompe ou la pression d'une bouteille de gaz comprimé. (Sur les figures 1 et 2, le fluide de refroidissement est illustré comme s'écoulant d'abord à travers l'échangeur de chaleur 34 et ensuite à travers la plaque à orifices 42. Cet écoulement peut être inversé comme souhaité, le fluide de refroidissement s'écoulant d'abord à travers la plaque à orifices 42 et ensuite à travers l'échangeur de chaleur 34.) Le circuit de refroidissement peut être un circuit ouvert, auquel cas de l'air frais est aspiré dans la soufflante et l'air réchauffé provenant de l'ensemble modulaire 20 à puces multiples est évacué. Le circuit de refroidissement peut être, par contre, un circuit fermé, auquel cas l'air réchauffé provenant de l'ensemble modulaire 20 à puces multiples est conduit à un radiateur 62 (ou autre type d'échangeur extérieur de chaleur, à ne pas confondre avec l'échangeur de chaleur 34). L'air froid quittant le radiateur 62 s'écoule vers l'entrée de la soufflante 60 et revient de là à l'ensemble modulaire 20 à puces multiples en tant que courant 28 de fluide de refroidissement. Le circuit ouvert de refroidissement est habituellement utilisé pour des applications à l'avionique et le circuit de refroidissement fermé est habituellement utilisé pour des applications à des vaisseaux spatiaux. La conductivité thermique des gaz augmente avec la pression. Dans certaines applications où une dissipation maximale de la chaleur est nécessaire, des moyens tels qu'une soufflante 60 extrêmement grande sont prévus pour mettre sous pression le gaz à l'intérieur des circuits de la figure 7 ou 8, à une pression totale supérieure à la force d'attaque de la pression différentielle demandée pour faire circuler le gaz à travers l'ensemble à échangeur de chaleur. Cependant, l'utilisation d'une telle mise sous pression augmente le poids du système.
On a construit un module simulé 22 pour essayer l'aptitude au fonctionnement de la présente approche. Le module 22 comprenait un échangeur de chaleur 34 en carbure de silicium du type illustré sur les figures 3A, 3B et 4, formé d'un mat tissé de fibres en carbure de silicium d'un diamètre de 76,2 ssm. L'échangeur de chaleur avait la forme d'un carré de 10 cm de côté et de 2,54 mm d'épaisseur. La porosité de la matière de l'échangeur de chaleur était de 90 %, et le rapport de la surface spécifique du volume était de 3 x 104 cm2 par centimètre cube. La plaque à orifices 42 était en aluminium, d'une épaisseur de 0,762 mm. On a utilisé différentes plaques à orifices ayant différentes dimensions et différents agencements d'ouvertures pour étudier l'effet de l'utilisation de différentes ouvertures mais, dans tous les cas, le rapport de la surface des ouvertures à la surface totale était de 0,1. La plaque à orifices 42 a été jointe à l'échangeur de chaleur 34 à l'aide d'un composé pour dissipateur de chaleur du type "Dow Corning 340", pour favoriser une bonne communication thermique de la plaque à orifices à l'échangeur de chaleur. Six éléments chauffants à pièces à résistance électrique pouvant être commandés ont été liés à la surface de la plaque à orifices 42 à distance de l'échangeur de chaleur 34. Une mince couche formée d'une feuille de polyimide a été placée sur la partie de la face de la plaque à orifices non en contact avec l'échangeur de chaleur et non recouverte par les pièces chauffantes afin de réduire la dissipation de chaleur par convexion et de procurer une formation thermique plus précise, bien qu'un tel recouvrement ne soit pas utilisé dans un dispositif de production. Les pièces chauffantes ont été utilisées à la place de dispositifs électriques pour étudier les effets produits par des niveaux de génération de chaleur différents. On a mesuré la température en divers emplacements en utilisant des thermocouples. L'ensemble a été placé dans une chambre à cir culation d'air pour simuler la soufflante 60, et a été isolé de ses parois.
La figure 9 est un graphique donnant la chute de pression à travers le dispositif simulé en fonction du débit d'écoulement de l'air dans la chambre. L'utilisation d'un nombre plus grand d'ouvertures plus petites produit un écoulement plus uniforme et la chute de pression la plus basse. Dans un module en exploitation réelle, il est donc avantageux d'avoir un grand nombre de petites ouvertures plutôt qu'un petit nombre de grandes ouvertures.
On a mesuré la température maximale du substrat à l'aide des pièces chauffantes fonctionnant pour produire des vitesses de geur de chaleur atteinte dans le cas du module à puces multiples de la présente invention est d'environ 310C. La présente approche permet donc de réduire notablement la température de surface du dispositif électronique.
La présente invention est compatible avec une large diversité de technologies d'interconnexion intramodulaires perfectionnées, dont quatre sont illustrées à titre d'exemple sur les figures 11 à 14. Toutes les approches des couches/sous-couches des figures 11 à 14 décrivent des couches d'interconnexion électriques à motifs qui sont réalisées sur le substrat et jointes à la plaque à orifices.
Chacune de ces figures illustre un substrat 30 ayant un échangeur de chaleur 34, une plaque à orifices 42 et une ouverture 44 traversant la plaque à orifices, comme décrit précédemment. Un dispositif électronique 32 est fixé à chaque substrat 30. Ces éléments sont tels que décrits précédemment.
Dans l'approche de la figure 11, une couche d'interconnexion électrique 70 est déposée conformément à un motif sur une surface supérieure 72 (qui est éloignée de l'échangeur de chaleur 34) de la plaque à orifices 42.
L'expression "couche à motif" est utilisée dans le sens classique de la technique, signifiant une couche comportant des pistes électriquement conductrices encastrées dans ou s'étendant sur une matière électriquement non conductrice. Le motif des pistes est choisi de façon à établir les interconnexions électriques demandées entre des éléments de circuits tels que le dispositif 32. La couche à motif est formée dans la surface de la plaque à orifices par des techniques classiques en microélectroniques telles qu'une attaque chimique et un dépôt. Dans le cas où la plaque à orifices est formée d'une matière non conductrice du courant électrique, le motif des pistes peut être formé directement sur la plaque à orifices. Si la plaque à orifices, elle-même, possède une trop grande conductivité électrique, une couche d'une matière non conductrice du courant électrique peut d'abord être déposée sur sa surface supérieure et, ensuite, un motif de pistes conductrices du courant électrique est déposé. Une interconnexion électrique entre la partie métallique de la couche 70 et le dispositif 32 est réalisée par des fils de connexion 73 ou par une autre approche fonctionnelle.
Dans de nombreux ensembles électroniques complexes, une seule couche d'interconnexion électrique à motif est insuffisante, et de multiples sous-couches à motifs sont nécessaires. La figure 12 illustre une couche d'interconnexion électrique 70 à sous-couches multiples. Les souscouches 70a, 70b et 70c sont déposées les unes à la suite des autres sur la surface supérieure 72 de la plaque à orifices 42 et un motif est réalisé dans ces sous-couches par des techniques d'attaque chimique et de dépôt. Des interconnexions électriques entre le dispositif 32 et les pistes métalliques sur les sous-couches 70a, 70b et 70c sont réalisées au moyen de fils 73 de connexion ou d'une autre approche fonctionnelle. En utilisant des plots ou des ouvertures d'interconnexion s'étendant à travers les souscouches supérieures, on peut réaliser des interconnexions électriques depuis le dispositif 32 jusqu'à l'une quelconque des sous-couches 70a, 70b et 70c. On peut prévoir autant de sous-couches qu'il est nécessaire.
Dans certains cas, il est plus commode de réaliser la couche d'interconnexion électrique après que la plaque 42 à orifices a été complètement fabriquée. Dans une approche, illustrée sur la figure 13, une décalcomanie 74 est fabriquée et appliquée sur la surface supérieure 72 de la plaque à orifices 42. La décalcomanie 74 est préparée au cours d'une opération séparée et comporte des sous-couches multiples 76a, 76b et 76c à motifs. On peut utiliser autant de sous-couches qu'il est nécessaire. La décalcomanie est collée à la surface supérieure 72 au moyen d'un adhésif. Des interconnexions électriques entre le dispositif 32 et les pistes métalliques sur les sous-couches 76a, 76b et 76c sont réalisées au moyen de fils 73 de connexion ou d'une autre approche fonctionnelle. En prévoyant des trous ou des ouvertures d'interconnexion s'étendant à travers les souscouches supérieures de la décalcomanie, on peut réaliser des interconnexions électriques depuis le dispositif 32 jusqu'à l'une quelconque des sous-couches 76A, 76b et 76c de la décalcomanie. L'utilisation de la décalcomanie a pour avantage de permettre à la matière non conductrice du courant électrique d'être une matière organique.
Dans une approche quelque peu similaire à la décalcomanie et illustrée sur la figure 14, on prépare un circuit feuilleté souple 78 en feuilletant ensemble des souscouches individuelles 80a, 80b et 80c de circuit souple, puis en liant le circuit feuilleté souple 78 à la surface supérieure 72 de la plaque à orifices 42 à l'aide d'un adhésif convenable. On peut utiliser autant de sous-couches de circuit souple qu'il est nécessaire. En prévoyant des plots ou ouvertures d'interconnexion s'étendant à travers les souscouches supérieures du circuit souple, on peut réaliser des interconnexions électriques depuis le dispositif 32 jusqu'à l'une quelconque des sous-couches 80a, 80b et 80c de circuit souple. L'utilisation de l'approche à circuit souple a pour avantage de permettre à la matière non conductrice du courant électrique d'être une matière organique et de pouvoir fabriquer séparément, puis de stratifier ensemble, les souscouches individuelles 80a, 80b et 80c.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'ensemble électronique décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Ensemble électronique, caractérisé en ce qu'il comporte un substrat (30) ayant un ensemble à échangeur de chaleur comprenant un échangeur de chaleur plan et poreux (34), et une plaque (41) à orifices s'étendant au-dessus de l'échangeur de chaleur et en contact thermique avec lui, la plaque à orifices étant traversée de plusieurs ouvertures (44), et un dispositif électronique monté sur le substrat.
2. Ensemble électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un second substrat (30) ayant un second ensemble à échangeur de chaleur comprenant un second échangeur de chaleur plan et poreux (34), et une seconde plaque (42) à orifices s'étendant audessus du second échangeur de chaleur et en contact thermique avec lui, la seconde plaque à orifices étant traversée de plusieurs secondes ouvertures (44), et un second dispositif électronique (32) monté sur le second substrat, le second substrat étant positionné face au premier substrat cité, mais à distance de celui-ci.
3. Ensemble électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une enveloppe (24) dans laquelle le substrat et le second substrat sont logés et maintenus face à face mais à distance l'un de 1 'autre.
4. Ensemble électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens interconnectant électriquement le dispositif électronique monté sur le substrat et le second dispositif électronique monté sur le second substrat.
5. Ensemble électronique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens d'interconnexion électrique comprennent un anneau (26) en matière non conductrice du courant électrique s'étendant entre le substrat et le second substrat, l'anneau étant en contact avec le substrat et le second substrat à leurs périphéries respectives, et au moins une voie électriquement conductrice (48) s'étendant à travers l'anneau entre le substrat et le second substrat.
6. Ensemble électronique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce l'échangeur de chaleur poreux comprend une structure choisie dans le groupe constitué d'un mat (36) formé de plusieurs fibres espacées (38), d'un corps solide (41) à l'état de mousse et d'un corps solide feuilleté (40).
7. Ensemble électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur poreux est formé d'une matière choisie dans le groupe constitué de carbure de silicium, d'oxyde d'aluminium, de nitrure d'aluminium, d'oxyde de béryllium et de diamant.
8. Ensemble électronique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur poreux présente une surface spécifique par unité de volume d'au moins environ 104 centimètres carré par centimètre cube.
9. Ensemble électronique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la plaque à orifices est formée d'une matière choisie dans le groupe constitué d'un métal et d'une céramique.
10. Ensemble électronique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la plaque à orifices est formée d'une matière choisie dans le groupe constitué d'aluminium, de carbure de silicium, d'oxyde d'aluminium, de nitrure d'aluminium, d'oxyde de béryllium et de diamant.
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