FR2967289A1

FR2967289A1 - Equipement electrique comportant un circuit electronique et procede de fabrication d'un tel equipement

Info

Publication number: FR2967289A1
Application number: FR1059305A
Authority: FR
Inventors: Francois Machet; Emmanuel Talon; Dominique Dupuis
Original assignee: Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Current assignee: Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2012-05-11
Anticipated expiration: 2030-11-10
Also published as: FR2967289B1

Abstract

L'invention concerne un équipement électrique comportant un boîtier (6) pourvu d'un circuit électronique comportant une piste conductrice (12) en contact direct avec une surface du boîtier (6) isolée électriquement du reste du boîtier (6) L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel équipement électrique qui comporte les étapes de : - réaliser une piste électriquement conductrice (12) directement sur une surface isolée électriquement du boîtier (6) ; - déposer et relier au moins un composant (11) à la piste électriquement conductrice (12).

Description

Equipement électrique comportant un circuit électronique et procédé de fabrication d'un tel équipement L'invention concerne un équipement électrique comportant un circuit électronique, et son procédé de fabrication. ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION Dans l'industrie, et en particulier dans le domaine automobile, les circuits électroniques sont fréquemment utilisés pour commander, piloter ou alimenter différents équipements électriques. Pour réduire les longueurs de câblage, les circuits électroniques sont généralement placés au plus près de l'équipement électrique. En rapprochant les circuits électroniques de l'environnement de travail, les composants électroniques des circuits sont également soumis aux mêmes environnements agressifs que les équipements électriques. Températures élevées, vibrations, agressions chimiques diminuent la durée de vie des composants. Dans le domaine de l'automobile, il est fréquent de trouver des circuits électroniques de commande et des circuits électroniques de puissance sous le capot moteur, dans un environnement où les températures sont élevées et les variations de températures importantes. La figure 1 illustre un circuit de puissance utilisé pour l'alimentation d'un équipement électrique disposé sous un capot moteur d'automobile. Le circuit comporte un support 1, un isolant 2 électrique déposé sur le support 1 et isolant des pistes électriquement conductrices 3 du support 1. Le circuit comporte des composants électroniques 4 reliés aux pistes conductrices 3. Le circuit est fixé sur le boîtier 6 de l'équipement à l'aide d'une colle 5. Le support 1 est généralement métallique afin de garantir la rigidité du circuit et de permettre une évacuation de la chaleur produite par le fonctionnement du circuit de puissance. Ce type de circuit électronique présente plusieurs inconvénients. Les composants électroniques ont besoin d'être refroidis, en particulier dans l'environnement chaud du capot moteur dans lequel le support 1 est insuffisant pour permettre une évacuation de chaleur. Pour pallier cet inconvénient, il est courant de placer des dissipateurs de chaleur sur le circuit électronique. Un autre inconvénient d'un tel circuit électronique est une capacité thermique faible, c'est-à-dire que les circuits électroniques sont sensibles aux brusques variations de températures et qu'ils sont susceptibles d'être endommagés par de brusques variations de température, même à basse température. Il a été envisagé de supprimer le support du circuit électronique et de coller la piste conductrice sur le boîtier de l'équipement. Cette solution n'est toutefois pas satisfaisante lorsque le circuit électronique est placé sous le capot moteur d'une automobile. En effet, la colle qui sépare la piste conductrice du boîtier supporte mal la température et les vibrations qui règnent à proximité du moteur, ce qui risquerait de conduire à un endommagement prématuré du circuit électronique. OBJET DE L'INVENTION La présente invention vise à remédier au moins en partie à ces inconvénients. BREF EXPOSE DE L'INVENTION A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un équipement électrique comprenant un boîtier pourvu d'un circuit électronique comportant une piste conductrice ayant des parties imbriquées dans une surface du boîtier isolée électriquement du reste du boîtier. Ainsi, le boîtier constitue le support du circuit électronique dont la piste conductrice comporte des parties imbriquées dans la surface isolée électriquement. Ceci procure une fixation présentant une résistance mécanique relativement importante et, la piste conductrice étant en contact direct avec la surface isolée, favorise un transfert de chaleur vers le boîtier qui peut jouer un rôle de dissipateur thermique. L'invention propose également un procédé de réalisation d'un équipement électrique comprenant un boîtier, qui comporte les étapes de : - réaliser une piste électriquement conductrice directement sur une surface du boîtier isolée électriquement ; - relier au moins un composant à la piste électriquement conductrice. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier non limitatif de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe transversale d'un équipement conforme à l'art antérieur ; - la figure 2 est une vue schématique partielle en perspective d'un équipement électrique selon l'invention ; - la figure 3 est une vue schématique partielle en coupe transversale du produit intermédiaire obtenu après une première étape du procédé de l'invention ; - la figure 4 est une vue analogue à la figure 3 du produit intermédiaire obtenu après une deuxième étape de ce procédé ; - la figure 5 est une vue schématique partielle analogue à la figure 4 du produit intermédiaire obtenu après une troisième étape de ce procédé. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'idée à la base de l'invention est d'utiliser le boîtier de l'équipement comme support afin de dissiper la chaleur des composants et d'augmenter la capacité thermique du circuit électronique. Pour cela, on fixe une piste électriquement conductrice directement sur une surface isolée électriquement du boîtier de l'équipement. La surface isolée électriquement peut comporter une couche d'isolation électrique déposée sur le boîtier. Le contact direct entre les composants, la piste électriquement conductrice et le boitier permet au circuit électrique de dissiper la chaleur au travers du boitier tout en augmentant sa capacité thermique. En effet, plus la masse est importante plus la capacité thermique est importante et en réalisant le circuit sur le boitier, la masse du circuit devient équivalente à celle du boitier.

La figure 2 illustre un circuit comportant un support constitué du boîtier 6 de l'équipement, une couche d'isolation électrique 7, une piste conductrice 12 et des composants électroniques 11 fixés sur cette piste conductrice 12. Le circuit électronique est intégré au boîtier 6 qui est en un matériau thermiquement conducteur, ici de l'aluminium, ce qui permet d'utiliser le boîtier 6 comme dissipateur de chaleur. Les composants électroniques 11 bénéficient également d'une meilleure capacité thermique, équivalente à celle du boîtier 6.

Selon l'invention, la couche d'isolation électrique 7 doit être également conductrice thermiquement afin que les calories puissent facilement transiter entre les composants 11 et le boîtier 6. Idéalement, la couche d'isolation électrique 7 est en céramique tel que la mullite (3Al2O3 2SiO2), la zircone (ZRO2) ou l'alumine (Al2O3). Les céramiques constituent des isolants électriques tout en étant davantage conductrices de chaleur que les isolants thermiques et électriques utilisés dans les circuits électroniques selon l'art antérieur (Figure 1).

Parmi les céramiques, l'alumine (Al2O3) constitue un choix privilégié. D'un coût relativement faible, elle constitue un bon conducteur thermique et un excellent isolant électrique.

L'épaisseur d'isolation électrique déposée doit être aussi faible que possible pour limiter les coûts et la masse et être suffisante pour garantir l'isolation électrique. Pour déterminer l'épaisseur appropriée aux caractéristiques du courant transitant dans les pistes conductrices, on utilise la mesure de la tension de claquage. Pour l'invention, cette mesure est utilisée pour déterminer l'épaisseur minimale de la couche d'isolation électrique 7 qui bloque le passage du courant pour une tension donnée appliquée sur le revêtement. Ainsi, pour une tension de claquage de 500V, l'épaisseur optimale de la couche d'alumine est ici comprise entre 50pm et 80pm. La première étape du procédé selon un mode de réalisation particulier de l'invention est illustrée par la figure 3. La surface du boîtier 6 de l'équipement est recouverte par une couche d'isolation électrique 7 à l'aide d'une torche 8 de projection atmosphérique. La projection atmosphérique regroupe un ensemble de procédés de dépôt de revêtements sur une surface par projection de gouttes de matière en fusion à grande vitesse et haute température. Parmi les procédés de cette famille, on trouve la métallisation au plasma d'arc soufflé (également appelé flamme plasma ou jet de plasma ou plus communément projection plasma) qui est particulièrement adaptée pour le dépôt de matériaux céramiques car les températures très élevées atteintes permettent de fondre même les céramiques réfractaires. Un autre procédé de projection atmosphérique est le HVOF (pour High Velocity Oxy-Fuel) qui permet également de réaliser de tels revêtements. Ce procédé d'un faible coût est particulièrement adapté pour la projection de matériaux métalliques dont le point de fusion est beaucoup plus bas que les céramiques. Outre la variété des dépôts possibles et un coût réduit, les procédés de projection atmosphérique assurent une haute cohésion et une haute ténacité du revêtement sur son substrat. Les revêtements sont imbriqués mécaniquement sur leur substrat sans qu'il soit nécessaire d'avoir une fusion locale du substrat (comme pour un soudage) ou une réaction chimique (comme pour un dépôt chimique). La tenue du revêtement sur le substrat dépend donc fortement de l'état de surface du substrat. De plus, un substrat métallique n'est quasiment pas affecté par le dépôt et conserve ses caractéristiques mécaniques, électriques, thermiques et chimiques. La figure 4 illustre une seconde étape du procédé selon un mode de réalisation particulier de l'invention. Dans cette étape, on réalise un dépôt de cuivre 9 à l'aide d'une torche 8 de projection atmosphérique sur la couche d'isolation électrique 7 sur laquelle on a préalablement disposé un masque 10. Le masque 10 est ensuite ôté afin de laisser apparaitre la piste conductrice. Le masquage est une technique connue permettant de sélectionner les zones d'une surface qui recevront un traitement. Cette technique permet entre autre de réaliser des pistes complexes en utilisant un masque représentant le négatif de la piste que l'on souhaite obtenir. Il existe différents types de masques, permanent ou pas, pelables ou solubles à l'eau_ Dans cette seconde étape, un masque permanent représentant en négatif le dessin de la piste conductrice est déposé sur la surface de la couche d'isolation électrique 7. On réalise alors le dépôt d'une couche de cuivre de 40pm par projection atmosphérique, préférentiellement par HVOF. Le masque est ensuite ôté pour faire apparaitre la piste conductrice qui est en contact avec la couche d'isolation électrique 7. Le masque est d'une épaisseur supérieure ou égale à l'épaisseur de la couche de cuivre déposée La figure 4 illustre une troisième étape du procédé selon l'invention. Dans cette étape, les composants 11 du circuit électronique sont déposés et fixés sur la piste conductrice 12. La fixation des composants 11 sur la piste conductrice 12 est réalisée par brasage. Les composants 11 sont des composants électroniques du commerce préalablement fabriqués et comportant sur chacune de leurs pattes d'accrochage une petite quantité de brasure. Apres le dépôt des composants 11 sur la piste conductrice 12, le boîtier 6 de l'équipement sur lequel est réalisé le circuit électronique ou l'équipement lui-même est placé dans un four de brasage. A l'issue du cycle de traitement, les composants 11 sont solidarisés sur la piste conductrice 12. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. L'invention repose sur l'idée de réaliser la piste conductrice 12 directement sur une surface du boîtier 6 isolée électriquement. Le terme « directement » implique que la piste conductrice 12 doit être la plus proche possible du boîtier 6, et idéalement qu'il n'y ait aucun élément entre la piste conductrice 12 et le boîtier 6. L'isolation électrique de la surface peut être obtenue en utilisant un boîtier 6 réalisé en un matériau non conducteur électrique comme le plastique ou un composite à base carbone ou céramique. L'isolation électrique peut être obtenue également en modifiant les propriétés électriques d'une portion de la surface, par exemple, en réalisant une oxydation, chimique ou électrochimique, d'une surface d'un boîtier en aluminium afin de transformer l'aluminium de cette surface en oxyde d'aluminium (Alumine). Pour réaliser le dépôt de la couche d'isolation électrique 7 et de la piste conductrice 12, la projection atmosphérique est une solution préférentielle mais des procédés de dépôt de revêtement comme le CVD (dépôt chimique en phase vapeur) ou le PVD (dépôt physique en phase vapeur) peuvent également être envisagés. Pour garantir l'accrochage de la couche d'isolation électrique sur le boîtier 6, il peut être nécessaire de réaliser une sous couche d'accroche sur le boîtier 6 de l'équipement préalablement au dépôt de la couche d'isolation électrique 7. La sous couche peut être en NiAl ou en NiAlPt selon la nature de l'alliage du boîtier 6. La sous couche est alors préférentiellement déposée par projection atmosphérique. Les procédés de projection atmosphérique permettent de créer des revêtements très résilients qui accrochent à leur substrat mécaniquement. L'état de surface du substrat, boîtier 6 ou sous couche, influe donc directement sur la tenue du revêtement. Pour obtenir un accrochage optimum, il est nécessaire de nettoyer le substrat pour éliminer toutes les impuretés et salissures pouvant rester entre le substrat et le revêtement. Un dégraissage de la surface est donc recommandé. De plus, pour garantir l'état de surface du substrat qui peut être le boîtier 6 de l'équipement, une sous couche ou une couche d'isolation électrique 7, il est également possible de réaliser une reprise de la surface du substrat à l'aide d'un usinage (rectification, fraisage...) ou d'un sablage. Dans le cas d'un boîtier 6 en aluminium, un état de surface équivalent à un Ra de 2 à 2,5 }gym constitue une rugosité optimale permettant l'accroche d'une couche d'isolation électrique 7 en alumine réalisée par projection atmosphérique.

Pour garantir un bon contact entre les composants et la piste conductrice, il peut être également nécessaire de réaliser un usinage de la piste conductrice 12 afin d'en garantir la planéité et d'en éliminer l'oxydation de surface. Cet usinage peut être réalisé par rectification ou usinage chimique ou électrochimique. Le rôle de la piste conductrice 12 est d'établir un lien électrique entre les composants du circuit électronique. L'utilisation du cuivre est donc indiquée.

Cependant, le cuivre peut être remplacé par tout matériau électriquement conducteur et notamment l'or. Selon l'invention, les composants électroniques sont fixés au plus près du boîtier de l'équipement qui constitue alors un moyen de dissipation de la chaleur et offre une grande stabilité thermique. La pose de radiateurs n'est plus nécessaire et les composants électroniques sont protégés des fortes variations de température. Par ailleurs, le coût de fabrication d'un tel circuit électronique reste faible.

Claims

REVENDICATIONS1. Equipement électrique comportant un boîtier (6) pourvu d'un circuit électronique, caractérisé en ce que le circuit électronique comporte une piste conductrice (12) ayant des parties imbriquées dans une surface du boîtier (6) isolée électriquement du reste du boîtier (6).
2. Equipement électrique selon la revendication 1, dans lequel le boîtier (6) comporte une couche d'isolation électrique (7).
3. Equipement électrique selon la revendication 2, dans lequel la couche d'isolation électrique (7) est en céramique.
4. Equipement électrique selon la revendication 3, dans lequel la couche d'isolation électrique (7) est en alumine.
5. Equipement électrique selon la revendication 4, dans lequel la couche d'alumine est d'une épaisseur comprise entre 50 et 80pm.
6. Procédé de réalisation d'un équipement électrique comportant un boîtier (6), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de : - réaliser une piste électriquement conductrice (12) directement sur une surface isolée électriquement du boîtier (6) ; - relier au moins un composant (11) à la piste électriquement conductrice (12).
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la piste conductrice (12) est réalisée par projection atmosphérique.
8. Procédé selon la revendication 6, comportant une étape consistant à réaliser une couche d'isolation électrique (7) pour former la surface isolée préalablement au dépôt de la piste électriquement conductrice (12).
9. Procédé selon la revendication 8, danslequel la couche d'isolation électrique (7) est réalisée par un procédé de projection atmosphérique d'une couche par exemple d'alumine.
10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, comportant une étape de préparation de la surface du boîtier (6) par sablage préalablement au dépôt de la couche d'isolation électrique (7).
11. Procédé selon l'une des revendications 8 à 10, comportant une étape de dépôt d'une sous couche d'accrochage préalablement au dépôt de la couche d'isolation électrique (7).