FR2949181A1

FR2949181A1 - Dissipateur thermique pour composants electroniques et methode d'assemblage associee

Info

Publication number: FR2949181A1
Application number: FR0903982A
Authority: FR
Inventors: Florent Villard; Jean Marie Verdun
Original assignee: SPLITTED DESKTOP SYSTEMS
Current assignee: Itrenew France Fr
Priority date: 2009-08-14
Filing date: 2009-08-14
Publication date: 2011-02-18
Anticipated expiration: 2029-08-14
Also published as: FR2949181B1

Abstract

L'invention concerne un dissipateur thermique convectif pour dissiper la chaleur générée par des composants électroniques (100) montés sur une carte support (5), comprenant au moins : - un élément d'extraction des calories (1 ) émises par lesdits composants (100), présentant un plan principal en contact avec une première face du ou des composants électroniques, - un élément caloduc (3) en contact avec ledit élément d'extraction des calories (1 ), - un moyen d'échange thermique (2) en contact avec l'élément d'extraction des calories (1) ou avec l'élément caloduc (3). Selon l'invention, le moyen d'échange thermique (2) est réalisé en un matériau composite à structure alvéolaire et est disposé de telle sorte que ses principales surfaces d'échange avec l'air sont orientées verticalement. L'invention vise en outre une méthode d'assemblage d'un tel dissipateur.

Description

DISSIPATEUR THERMIQUE POUR COMPOSANTS ÉLECTRONIQUES ET MÉTHODE D'ASSEMBLAGE ASSOCIÉE. DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001]L'invention se rapporte au domaine de la dissipation de chaleur émise par des composants électroniques. Il s'agit plus particulièrement de refroidir des composants électroniques actifs ou passifs tels que des cartes graphiques, microprocesseurs ou autres composants notamment pour ordinateurs. [0002] De tels composants qui émettent de la chaleur ( de quelques Watts à plus 10 de 100 Watts ), ne fonctionnent correctement que dans des conditions notamment thermiques spécifiques. Leur bon fonctionnement est en partie conditionné par leur température , en particulier la plupart ne peuvent fonctionner qu' à des températures inférieures à 100 °Celsius. [0003] Bien entendu toute surchauffe même de très courte durée, peut détruire le 15 ou les composants considérés. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0004] La présence et l'utilisation de moyens de refroidissement de composants électroniques est de ce fait connu. Ces moyens de refroidissement, ou dissipateurs d'énergie, doivent extraire des calories d'une surface faible (de 1 à 3 20 cm2 ) et doivent donc être disposés au plus près des composants à refroidir auxquels ils doivent par ailleurs être attachés de façon fiable. [0005] La liaison est assurée de façon optimale par un niveau de pression élevé associé à une excellente planéité des surfaces en contact. Dans ce but, une solution connue consiste à intercaler entre le composant électronique et le 25 dissipateur d'énergie une interface thermique sous forme de pâte. Cependant, (.. inconvénient .. ) [0006] Le brevet US 7 529 090 décrit un dissipateur d'énergie comprenant notamment des plaques de dissipation d'énergie intercalées entre les composants électroniques et une série d'ailettes de refroidissement destinées à augmenter les surfaces d'échange avec le milieu environnant. Un ventilateur est en outre prévu pour améliorer les échanges thermiques autour des ailettes. Cet ensemble est une des combinaisons connues pour dissiper de l'énergie créée par des composants électroniques. Le ventilateur est ici un élément indispensable au fonctionnement du système, qui accroît l'efficacité du dissipateur d'énergie. [0007] L'un des problèmes rencontrés avec ce type de montage est lié au ventilateur qui non seulement est encombrant mais en outre consomme de l'énergie et génère intrinsèquement de la chaleur. Par ailleurs le ventilateur est 10 source de bruit. Bien entendu toute panne du ventilateur peut engendrer des dommages irrémédiables des composants associés dès lors qu'ils ne sont plus refroidis. [0008] Par ailleurs les ailettes des dissipateurs connus peuvent présenter des épaisseurs minimales de l'ordre de 0,2 mm. Elles sont réalisées dans des 15 matériaux fortement conducteurs tels que le cuivre et/ou l'aluminium. Mais comme on le sait, le cuivre est un matériau dont le coût est élevé. De plus le poids des ailettes en cuivre, très nombreuses et/ou de surface importante, peut poser problème. [0009] En outre les procédés de fabrication des ailettes limitent leurs formes à des 20 rectangles soudés ou extrudés sur la base de l'élément dissipateur d'énergie. Les surfaces des ailettes sont relativement grandes ce qui induit des turbulences à leurs extrémités, là où a lieu le mélange de l'air chaud avec l'air froid ambiant. Ces turbulences ralentissent le flux de sortie du dissipateur. EXPOSE DE L'INVENTION 25 [0010] L'invention vise à remédier aux inconvénients de l'état de la technique et notamment à proposer un dissipateur thermique convectif efficace , silencieux, fiable et d'un coût très modeste. [0011 ]Pour ce faire est proposé selon un premier aspect de l'invention un dissipateur thermique convectif pour dissiper la chaleur générée par des composants électroniques montés sur une plaque support, comprenant au moins : - un élément d'extraction des calories émises par lesdits composants, présentant 5 un plan principal en contact avec une première face du ou des composants électroniques, - un élément caloduc en contact avec ledit élément d'extraction des calories, - un moyen d'échange thermique en contact avec l'élément d'extraction des calories ou avec l'élément caloduc. 10 [0012]Selon l'invention, le moyen d'échange thermique est réalisé en un matériau composite à structure alvéolaire et est disposé de telle sorte que ses principales surfaces d'échange avec l'air sont orientées verticalement. [0013]Ainsi chaque cellule du moyen d'échange thermique peut présenter une section transversale de forme polygonale, par exemple rectangulaire ou 15 hexagonale. On crée ici des micro cheminées qui permettent un transfert de chaleur optimal avec l'air environnant. [0014] Par ailleurs, les plans principaux de l'élément d'extraction des calories et du moyen d'échange thermique font entre eux un angle A compris entre 45 ° et 135 °, préférentiellement d'environ 90 °. 20 [0015] Par plan principal il faut comprendre le plan des surfaces extérieures les plus grandes de l'élément d'extraction ou du moyen d'échange thermique. [0016]Cette disposition permet d'implanter et d'adapter le dissipateur à de nombreuses configurations. [0017]Avantageusement, le moyen d'échange thermique comprend des ailettes et 25 présente une épaisseur comprise entre 0,01 et 0,05 mm. [0018]Cette épaisseur, bien que très petite, permet cependant une efficacité remarquable ; des dégagements de chaleur de quelques Watts à 150 Watts peuvent ainsi être dissipés selon l'invention. [0019]On comprend que de très faibles quantités de matières sont nécessaires pour fabriquer le dissipateur selon l'invention d'où une diminution du coût total. [0020] Bien entendu l'absence de ventilateur ( selon l'un des modes de réalisation de l'invention ) rend le système très silencieux et d'autant moins coûteux. [0021]En outre l'élément caloduc se présente sous une forme tubulaire, comprenant au moins une première et une deuxième branche, la première branche étant parallèle ou appartenant au plan principal de l'échangeur thermique et la deuxième branche étant parallèle ou appartenant au plan principal de l'élément d'extraction des calories. [0022]Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'élément caloduc est noyé dans l'épaisseur de l'élément d'extraction des calories et est en contact 15 direct avec le ou les composants électroniques. [0023]Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, l'élément caloduc est en cuivre. Sa très faible épaisseur permet donc une économie de matière remarquable, réduisant ainsi sensiblement le coût du dissipateur. [0024] En outre, le matériau composite à structure alvéolaire peut comprendre du 20 cuivre ; vu ses dimensions et notamment sa très faible épaisseur la quantité de matière est très réduite. [0025] Le matériau composite à structure alvéolaire peut être revêtu extérieurement d'une couche de protection. [0026] L'élément d'extraction des calories est préférentiellement en cuivre ou en 25 aluminium. Ces matériaux sont choisis pour leurs excellentes propriétés de transfert de chaleur. [0027]Selon un mode de réalisation de l'invention, les composants électroniques sont fixés sur une plaque support et dépassent d'une première face de ladite plaque support ; une contreplaque est disposée en vis-à-vis de la deuxième face de ladite plaque support, et des éléments de fixation traversent ladite plaque support afin de fixer et de répartir les efforts de l'élément d'extraction sur les composants. [0028] L'invention vise en outre une méthode d'assemblage d'un dissipateur thermique selon laquelle on assemble par emboutissage au moins une première branche de l'élément caloduc sur la structure alvéolaire de l'échangeur thermique, 10 puis on brase lesdits éléments, puis on fixe au moins une deuxième branche de l'élément caloduc sur une face principale de l'élément d'extraction de calories. [0029]Cette méthode présente l'avantage d'être simple même si il est nécessaire de veiller à réaliser le brasage à des températures inférieures à une certaine valeur, par exemple à moins de 180 °C. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0030][001]D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent : 20 - la figure 1, un schéma simplifié en perspective d'un dissipateur selon un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 2, un schéma simplifié selon une autre perspective, de l'invention selon la figure 1; la figure 3 est une vue simplifiée de l'association d'un dissipateur et 25 d'une carte sur laquelle sont montés des composants électroniques à refroidir ; la figure 4 est une coupe transversale montrant l'association d'un dissipateur selon l'invention avec une carte équipée de composants électroniques à refroidir ; et 15 la figure 5 est une coupe schématique d'un autre mode de réalisation de l'invention. [0031 ]Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l'ensemble des figures. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION [0032]La figure 1 est une illustration schématique d'un dissipateur thermique convectif selon un mode de réalisation de l'invention. [0033] Le dissipateur comprend un élément 1 d'extraction des calories émises par 10 des composants électroniques 100 ( non visibles sur la figure 1 ) ; l'élément 1 présente un plan principal ( ou face principale ) 10 en contact direct avec une première face du ou des composants électroniques 100 à refroidir. Le plan 10 est davantage visible sur la figure 2. [0034] L'élément d'extraction de calories 1, encore appelé bloc d'évaporation, est 15 préférentiellement réalisé en cuivre ou en aluminium, bien que tout autre matériau conducteur soit envisageable sans sortir du cadre de l'invention. Le cuivre possède une excellente conductivité, mais présente une masse volumique importante qui peut limiter son emploi notamment quand le poids devient critique vis-à-vis notamment de la planéité de la surface de contact avec les composants 20 électroniques 100. [0035] L'autre face 11 de l'élément d'extraction des calories 1 est en contact avec un élément caloduc 3 comprenant des tubes dont les branches 30, 31 s'étendent selon au moins deux orientations : la ou les premières branches 30 des tubes caloporteurs 3 est paràlière et en contact -âvec un plan principal 12 d'un moyen 25 d'échange thermique 2, tandis que la (ou les) deuxième(s) branche(s) 31 du ou des tubes caloporteurs 3 est parallèle et en contact avec le plan principal 11 de l' élément d'extraction de calories 1. [0036] Les plans principaux 11,12 font entre eux un angle A de l'ordre de 90 ° selon le mode de réalisation de l'invention tel qu'illustré sur les différentes figures. [0037] De façon intéressante et notamment en fonction de l'espace disponible pour le dissipateur, l'angle A peut être différent. Par exemple il peut varier entre 45 ° et 135 ° sans nuire au bon fonctionnement du dissipateur. Ceci est une caractéristique innovante et très intéressante de l'invention. [0038] L'arrangement selon l'invention permet notamment d'orienter le plan 12 horizontalement de façon à ce que les faces délimitant les alvéoles formées dans l'épaisseur du moyen d'échange thermique 2 soient orientées verticalement. En d'autres termes les principales surfaces d'échange des alvéoles avec l'air sont orientées verticalement. Cette caractéristique permet d'optimiser les échanges thermiques et donc le rendement du dissipateur. [0039]Comme déjà brièvement évoqué, le moyen d'échange thermique 2 comprend des ailettes disposées en réseau formant des alvéoles dont la section transversale est polygonale.Chaque cellule du réseau transfert la chaleur reçue à l'air contenu à l'intérieur, créant ainsi une sorte de microcheminée dont l'axe est orienté verticalement. [0040] Ce type de structure est communément appelée en nid d'abeille . II permet d'augmenter les surfaces d'échange et simultanément de diminuer les effets de turbulence aux extrêmités des parois grâce à la création de flux laminaires au niveau de chacune des surfaces ( ou paroi ) d'échange . [0041]L'épaisseur du moyen d'échange thermique 2 peut être comprise entre 0,01 et 0,05 mm. Plus spécifiquement, les ailettes du moyen d'échange thermique peuvent être fabriquées avec ces épaisseurs, d'une façon tout à fait courante.Etant donné sa constitution, cette structure est relativement rigide ; en tout état de cause une rigidité optimale est réalisée. [0042]Sans sortir du cadre de l'invention, le moyen 2 peut en outre être pourvu de trous le transperçant selon son épaisseur. Ceci est une alternative destinée à augmenter les échanges thermiques au niveau de l'échangeur 2. [0043] Le moyen 2 peut être réalisé en cuivre ou en aluminium, ou en tout autre métal ou alliage métallique approprié. Il est réalisé en un matériau fortement conducteur. [0044] Une couche de peinture à fort pouvoir émettrice peut par ailleurs être prévue sur tout ou partie de la surface extérieure du moyen d'échange 2. Cette couche permet d'améliorer les performances thermiques de l'échangeur 2. 10 [0045]Comme visible notamment sur la figure 1, l'élément caloduc 3 présente un certain nombre de branches 30, 31. A titre illustratif quatre tubes sont prévus. Les premières branches 30 des tubes 3 qui transportent l'énergie depuis le bloc 1 d'extraction des calories vers le moyen 2 d'échange thermique, sont répartis uniformément sur la surface extérieure plane 12 de l'échangeur 2 afin d'optimiser 15 les échanges thermiques. [0046] Les branches 31 des tubes 3 sont disposées côte à côte sur le plan principal 11 de l'élément d'extraction de calories 1. [0047]Cette disposition est préférée mais non limitative. En fonction des besoins, l'homme de métier déterminera la répartition, la disposition, les dimensions, le 20 nombre ... de tubes 3 , de la façon la plus appropriée. [0048] Par ailleurs, comme plus particulièrement visible sur les figures 3 et 4, la liaison de la face ou plan principal 10 de l'élément d'extraction de calories 1 avec le ou les composants 100 à refroidir peut être réalisée à l'aide d'une contreplaque 6 disposée en vis-à-vis de la deuxième face 51 de la plaque support 5 sur laquelle 25 sont montés les composants 100. Des éléments de fixation tels que des vis dynamométriques 7 sont prévus à cet effet. Le montage de la contreplaque 6 est classique, de sorte qu'il ne sera pas davantage décrit ici. Ce mode de fixation peut cependant être préféré car il est très fiable et il permet de bien répartir la pression exercée par les vis dynamométriques 7. [0049]Afin d'améliorer les performances du dissipateur selon l'invention, il est possible d'ajouter un ventilateur, de préférence de faible puissance. On peut ainsi doubler les performances de l'invention décrite ci-dessus ; ceci est un choix que l'homme de métier opérera en fonction du cas d'espèce. [0050]Si l'on souhaite réduire la taille du dissipateur, il est envisageable de fixer le moyen d'échange thermique 2 sur l'élément ( bloc ) d'extraction des calories 1. [0051]Le principe de fonctionnement du dissipateur thermique selon l'invention est 10 le suivant : [0052] L'élément (bloc) d'extraction des calories 1 est échauffé par le ou les composants 100 avec lequel il est en contact ; cet échauffement provoque la vaporisation du liquide renfermé dans les tubes caloporteurs 3, plus précisément dans les deuxièmes branches 31 des tubes 3. La vapeur ainsi créée augmente la 15 pression à l'intérieur des tubes et transfert l'énergie interne. A l'autre extrémité des tubes 3, c'est à dire au niveau des premières branches 30 en contact avec le moyen d'échange thermique 2, les parois de ce dernier étant par ailleurs en contact avec l'air ambiant, il se crée un refroidissement des premières branches 30 des tubes 3 par transfert d'énergie. Ce phénomène de refroidissement 20 transforme la vapeur formée dans les tubes en liquide, qui retourne par capillarité vers la deuxième branche 31 des tubes, c'est à dire vers la zone d'évaporation des calories. [0053]Ce principe est connu en lui même ; il est ici largement amélioré puisque à encombrement équivalent, selon l'art antérieur un radiateur dissiperait de l'ordre 25 de 35 W alors que la présente invention permet une dissipation de l'ordre de 80 Watts. [0054] Le gain en poids est tout aussi remarquable puisque la présente invention permet de diviser le poids au moins par 2, voire par 4 ou plus, vis-à-vis de dissipateurs connus de performances comparables. [0055] De même vis-à-vis de l'art antérieur, la réduction de taille est conséquente. A pouvoir dissipatif équivalent, il peut être avancé que l'invention permet de diviser par deux la taille du dissipateur. [0056] En outre la méthode préférée de fabrication d'un dissipateur selon l'invention est simple : on emboutit la ou les première(s) branche(s) 30 du ou des tubes 3 sur la structure alvéolaire de l' échangeur thermique 2 ; puis on brase cet 10 ensemble aux environs de 135 ° C si ceux-ci sont en cuivre ou alliages de cuivre. Puis on procède à l'assemblage de la ou des deuxièmes branches 31 sur le bloc 1 d'extraction des calories. Les première 30 et deuxième 31 branches des tubes 3 font entre elles un angle donné A correspondant à celui entre les plans 11 et 12, que, comme déjà dit, l'homme de métier choisira en fonction des contraintes et 15 paramètres inhérents au cas considéré. [0057] La figure 5 illustre de façon schématique un autre mode de réalisation de l'invention. Cette coupe est transversale aux composants et montre la superposition des principaux éléments de l'invention à savoir : un support 5 du ou des composants 100, le ou les composants 100, l'élément caloduc 3, le bloc 20 d'extraction des calories 1. Ces éléments sont superposés et orientés dans un même plan, préférentiellement le plan horizontal. [0058]Selon ce mode de réalisation de l'invention, l'élément caloduc 3 est noyé c'est à dire inclus dans l'épaisseur de l'élément d'extraction des calories 1 ; l'élément caloduc 3 est en contact direct d'une part avec le ou les composants 25 électroniques 100 et d'autre part avec le bloc d'extraction des calories 1 dans lequel il est noyé. [0059]Avantageusement l'élément caloduc 3 est un serpentin réparti judicieusement sur toute la surface principale du bloc d'extraction des calories 1. Cette implantation optimise la répartition de l'énergie émise par le ou les composants électroniques 100. L'homme de métier choisira la meilleure disposition selon le cas de figure à traiter. [0060] Le moyen d'échange thermique 2 dont la structure a été décrite en relation avec les figures précédentes, est ici en contact selon son épaisseur avec le bloc d'extraction des calories 1. Préférentiellement les plans principaux du bloc 1 et de l'échangeur 2 sont perpendiculaires entre eux, le plan principal de l'échangeur étant horizontal afin que ses surfaces d'échange avec l'air soient verticales.

Claims

REVENDICATIONS1. Dissipateur thermique convectif pour dissiper la chaleur générée par au moins un composant électronique (100) monté sur une plaque support (5), comprenant au moins : un élément d'extraction des calories (1) émises par lesdits composants (100), présentant un plan principal en contact avec une première face du ou des composants électroniques, un élément caloduc (3) en contact avec ledit élément d'extraction des calories (1), - un moyen d'échange thermique (2) en contact avec l'élément d'extraction des calories (1) ou avec l'élément caloduc (3), caractérisé en ce que le moyen d'échange thermique (2) est réalisé en un matériau composite à structure alvéolaire et est disposé de telle sorte que ses principales surfaces d'échange avec l'air sont orientées verticalement.
2. Dissipateur thermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que les plans principaux de l'élément d'extraction des calories (1) et du moyen d'échange thermique (2) font entre eux un angle A compris entre 45 ° et 135 °, préférentiellement d'environ 90 °.
3. Dissipateur thermique selon la revendication 1 ou selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit moyen d'échange thermique (2) comprend des ailettes et présente une épaisseur comprise entre 0,01 et 0,05 mm.
4. Dissipateur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes ledit élément caloduc (3) est de forme tubulaire.
5. Dissipateur thermique selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit élément caloduc (3) comprend au moins un tube formé d'au moins une première et une deuxième branche, la première branche (30) étant parallèle ou appartenant au plan principal de l'échangeur thermique (2) et la deuxièmebranche (31) étant parallèle ou appartenant au plan principal de l'élément d'extraction de calories.
6. Dissipateur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'élément caloduc (3) est noyé dans l'épaisseur de l'élément d'extraction des calories (1) et est en contact direct avec le ou les composants électroniques à refroidir.
7. Dissipateur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit élément caloduc (3) est en cuivre.
8. Dissipateur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit matériau composite comprend du cuivre.
9. Dissipateur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit moyen d'échange thermique (2) comprend en outre des orifices selon son épaisseur.
10. Dissipateur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit matériau composite formant le moyen d'échange thermique est revêtu extérieurement d'une couche de protection.
11. Dissipateur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit élément d'extraction de calories est en cuivre ou en aluminium.
12. Dissipateur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les composants électroniques (100) sont fixés sur une plaque support (5) et dépassent d'une première face de ladite plaque support, en ce qu'une contreplaque (6) est disposée en vis-à-vis de la deuxième face de ladite plaque support et en ce que des éléments de fixation (7) traversent ladite plaque support (5) afin de fixer et répartir les efforts de l'élément d'extraction sur le ou les composants électroniques (100).
13. Dissipateur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend en outre un ventilateur.
14. Méthode d'assemblage d'un dissipateur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 7 à 13 caractérisé en ce qu'on assemble paremboutissage au moins une première branche de l'élément caloduc sur la structure alvéolaire de l'échangeur thermique, puis on brase lesdits éléments, puis on fixe au moins une deuxième branche de l'élément caloduc sur une face principale de l'élément d'extraction de calories.