FR3076432A1 - Circuit imprime dissipatif - Google Patents

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FR3076432A1
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Abstract

La présente invention concerne un circuit imprimé assurant notamment une fonction de dissipation thermique des composants électroniques montés sur celui-ci et une fonction de transfert thermique de la chaleur dissipée par les composants depuis une zone vers une autre séparées mécaniquement par le circuit imprimé. Le dispositif est constituée notamment d'un circuit imprimé comportant sur au moins une face des composants électroniques inclus dans un volume fermé par une enveloppe mécanique, et intégrant une couche de matériau conducteur assurant le transfert thermique de la chaleur depuis ce volume en direction d'un second volume exposé à l'environnement du dit dispositif, et assurant ainsi le transfert de L'énergie dissipée. La couche de matériau conducteur assure la fonction de cloison entre les volumes externe du dispositif. La structure mécanique du dispositif sera assurée par la couche de matériau conducteur.

Description

La présente invention concerne un dispositif de dissipation de la chaleur des composants électroniques montés sur une carte de circuit imprimé, permettant de transférer la chaleur depuis un volume fermé par une enveloppe mécanique vers un volume ouvert dans lequel circule un fluide capable d’absorber la chaleur par transfert thermique.
Les dispositifs électroniques comportent des composants électroniques dont certains peuvent chauffer tels que les transistors de puissance, les microcontrôleurs, des capteurs optiques ou même des LED de puissance. Le refroidissement des composants est nécessaire pour garantir leur fonctionnement et leur durée de vie.
Les systèmes électroniques sont communément placés dans un environnement fermé, par exemple protégé des intrusions pour éviter la pollution des zones sous tensions, le risque de court circuit par introduction d’un objet conducteur, la protection des personnes ou la présence d’humidité.
Généralement, afin de refroidir les composants tout en les maintenant dans un environnement protégé des intrusions, la méthode consiste à monter les composants électroniques sur des cartes de circuit imprimé dans un boîtier, et d’appliquer les éléments qui chauffent contre la cloison du boîtier. La méthode consiste à les maintenir en contact par un dispositif tel qu’un ressort, pour maintenir un niveau de pression suffisant indépendamment des dispersions géométriques du boîtier, du composant, et de la chaîne de cote des éléments intervenant entre le composant et la cloison du boîtier.
D’autres systèmes consistent à placer la ou les cartes dans un boîtier qui les protèges des intrusions, et à organiser le transfert de chaleur depuis le composant qui chauffe vers la surface du boîtier par des composants additionnels conducteur de chaleur organisant un chemin de transfert thermique, tel que l’illustre le brevet EP3220729.
D’autres systèmes consistent à organiser un transfert thermique depuis l’intérieur de la zone protégée des intrusions vers l’extérieur de ce volume par l’organisation d’un flux de fluide capable d’absorber l’énergie dissipée, tel que l’illustre le brevet FR3048155.
Ces systèmes présentent les inconvénients du nombre de pièces nécessaires, de l’ajustement et de la tolérance entre les éléments qui est souvent difficile à maîtriser, et de la possibilité d’une dérive dans le temps, lié aux déplacements, aux déformations ou aux desserrages d’éléments.
-2La présente invention propose une solution permettant d’organiser un transfert thermique depuis une volume fermé (1) par une enveloppe mécanique dans lequel se situent des composants électroniques vers un volume ouvert (2) capable d’absorber cette énergie, tout en maintenant une séparation mécanique entre les deux volumes, avec un minimum de pièces.
Le dispositif est un dispositif électronique comportant une carte de circuit imprimé dont la base est une couche en matériau conducteur de chaleur et pourvu de composants électroniques et de pistes situés dans un volume fermé (1) délimité par une enveloppe mécanique et caractérisé en ce : au moins un composant dissipe une énergie sous forme de chaleur transmise majoritairement à la couche en matériau conducteur de chaleur ; et une portion d’au moins une face de la carte de circuit imprimé soit exposée à un volume ouvert (2) situé à l’extérieur du volume fermé (1) capable d’absorber l’énergie dissipée dans lequel circule un fluide absorbant la chaleur transmise par la carte.
Le volume fermé (1) pourra être un volume protégé des intrusions. Le volume ouvert (2) pourra être un volume accessible, pollué, ou non protégé des intrusions.
Une portion de l’enveloppe mécanique pourra être réalisée par une portion de la carte de circuit imprimé.
La carte imprimé assure la fonction de séparation entre le volume fermé (1) et le volume ouvert (2).
La couche de matériau conducteur assure la fonction de cloison entre une zone interne du dispositif, pourvue de composants électroniques et présentant des pistes de circuit imprimé sous tension, et une zone externe du dispositif, présentant un environnement pouvant être pollué, ou accessible par les personnes.
On pourra envisager que la couche en matériau conducteur de chaleur supporte mécaniquement l’enveloppe mécanique délimitant le volume fermé (1). L’enveloppe pourra être réalisée sous la forme d’un capotage (5) fixé sur la carte par des liaisons vissées aux moyens de taraudages aménagés dans la couche en matériau conducteur de chaleur de la carte, ou par des éléments rapportés sur la carte tels que des inserts sertis ou des bossages collés.
La couche en matériau conducteur de chaleur peut assurer la séparation entre l’environnement accessible par les personnes et le volume fermé (1) du dispositif comportant des équipements sous tensions.
-3La couche en matériau conducteur de chaleur de la carte de circuit imprimé pourra être métallique.
Le matériau conducteur sera isolé électriquement des composants sous tension par une couche isolante (3b).
La carte de circuit imprimé pourra supporter mécaniquement une portion de l’enveloppe délimitant le volume fermé (1).
La carte de circuit imprimé pourra supporter mécaniquement d’autres cartes électroniques situées dans le volume fermé (1).
En d’autres termes, la carte dont la base est une couche en matériau conducteur de chaleur sera liée mécaniquement à au moins une carte située dans le volume fermé (1) protégé des intrusions. Les cartes pourront être liées ensemble par le moyen de colonnettes vissées dans des taraudages aménagés dans la couche en matériau conducteur de chaleur, ou par des colonnettes serties dans la couche en matériau conducteur de chaleur, ou par un assemblage collé, par exemple par une résine diélectrique.
La couche en matériau conducteur de chaleur (3a) de la carte de circuit imprimé (3) pourra être mise en forme par découpe, usinage, pliage ou emboutissage.
Le volume fermé (1) pourra être rempli de résine diélectrique, dont la peau assurera la fonction d’enveloppe mécanique.
En d’autres termes, on pourra envisager que le volume fermé (1) soit rempli par une résine diélectrique appliquée au contact de la carte de circuit imprimé (3).
La couche de matériau conducteur pourra être exposée à un fluide en mouvement dans le volume ouvert (2).
La couche en matériau conducteur de chaleur (3a) de la carte de circuit imprimé (3) pourra être pourvue de fixations.
La structure mécanique du dispositif sera assurée par la couche en matériau conducteur de chaleur.
Le matériau conducteur de chaleur pourra être d’une épaisseur de 1mm ou plus, d’une conductivité thermique de plus de 100W.m-l.K-l, et d’une résistance mécanique supérieure à 50MPa.
La couche en matériau conducteur de chaleur sera d’une épaisseur, d’un module d’élasticité et d’une résistance mécanique adaptée à sa fonction de cloison. La couche de matériau conducteur sera d’une épaisseur de 1mm ou plus pour assurer cette fonction
-4mécanique.
La couche en matériau conducteur de chaleur permettra d’assurer une fonction structure au dispositif, notamment de fixation du dispositif sur son support.
Un solide conducteur de chaleur pourra être plaqué contre la carte de circuit imprimé dans le volume ouvert (2) et assurera la conduction de la chaleur entre la carte de circuit imprimé et le fluide absorbant la chaleur.
En d’autres termes, la couche de matériau conducteur pourra être en contact d’un solide dans le volume ouvert (2). Le solide en contact participera à la dissipation thermique en absorbant une partie de l’énergie à dissiper.
Les dessins annexés présentent l’invention :
-La figure 1 représente les couches constituant l’invention.
-La figure 2 représente une application de la dite invention dans laquelle la couche en matériau conducteur de chaleur présente un rôle mécanique de support d’un capotage assurant la fonction d’enveloppe délimitant le volume fermé (1).
-La figure 3 représente une application de la dite invention dans laquelle la couche en matériau conducteur de chaleur présente un rôle mécanique de fixation.
-La figure 4 représente une application de la dite invention dans laquelle une carte électronique est liée mécaniquement à la carte de circuit imprimé (3) dans le volume fermé (1).
En référence à ces dessins, l’invention comporte une carte de circuit imprimé (3) comportant une couche en matériau conducteur de chaleur (3a), supportant notamment au moins un composant électronique (4) soudé sur les pistes conductrices du circuit (3c). Les pistes sont isolées de la couche en matériau conducteur de chaleur (3a) du circuit imprimé par un substrat isolant (3b). Une partie au moins de la carte de circuit imprimé est exposée à un volume ouvert (2) capable d’absorber l’énergie dissipée par le ou les composants via la couche en matériau conducteur de chaleur. La transmission de chaleur pourra être assuré par radiation à un fluide assurant le transfert thermique par convection naturelle ou forcée, ou par transmission à un solide assurant le transfert thermique par conduction.
La figure 2 illustre une application dans laquelle la couche en matériau conducteur de chaleur pourra supporter un capotage (5) assurant partiellement le rôle de l’enveloppe mécanique délimitant le volume fermé (1). La couche de matériau conducteur pourra être en aluminium, permettant une fixation du capotage par des
-5moyens tels que notamment le rivetage, le serrage par vis et trou taraudé, par serrage par vis et écrou, par sertissage ou par collage.
La couche en matériau conducteur de chaleur sera de façon privilégiée de l’aluminium, ou du cuivre. Le module d’élasticité de la couche conductrice et la résistance mécanique permettra à cette couche d’assurer la fonction de cloison ou de structure au dispositif.
La figure 3 illustre un montage dans lequel l’ensemble du dispositif est fixé sur un support (6) par le biais d’au moins une fixation tel qu’un rivet (7) ou d’un assemblage vissé, ou collé ou serti, ou toute autre fixation mécanique.
La figure 4 illustre un montage dans lequel au moins une carte électronique (8) est liée mécaniquement à la carte de circuit imprimé (3) par le biais d’entretoises. La carte électronique (8) pourra être une carte de pilotage des composants actifs situés sur la carte de circuit imprimé (3). La liaison électrique entre les composants de la carte de circuit imprimé (3) et la carte électronique (8) sera assurée par des conducteurs notamment des connecteurs carte à carte, ou des fils. La carte électronique (8) est située dans le volume fermé (1).
L’environnement pourra être une zone accessible par les personnes. Les composants électroniques sont montés sur une face exposée au volume fermé (1) par une enveloppe mécanique. La carte de circuit imprimé assure le transfert thermique et en partie la fonction d’enveloppe mécanique délimitant le volume fermé (1).
Contrairement à l’art antérieur qui consiste à monter les circuits imprimés dans un boîtier assurant le rôle de protection à Γenvironnement, et d’organiser le transfert thermique depuis les composants électroniques vers l’extérieur du boîtier par une ventilation ou un chemin de transfert thermique organisé avec des pièces rapportées, le présent dispositif réduit les composants en utilisant la couche en matériau conducteur de chaleur à la fois comme une cloison mécanique entre 2 volumes, et comme un moyen de transférer l’énergie dissipée par les composants vers un des deux volumes, typiquement un volume pollué mais capable d’absorber l’énergie.
L’invention est particulièrement adaptée aux cartes électroniques de puissance embarquées. Le dit dispositif optimise le transfert thermique de l’énergie dissipée habituellement en électronique de puissance, tout en réduisant le nombre de pièce du système, et le poids du dispositif.

Claims (9)

  1. Revendication :
    1) Dispositif électronique comportant une carte de circuit imprimé dont la base est une couche en matériau conducteur de chaleur et pourvu de composants électroniques et de pistes situés dans un volume fermé (1) délimité par une enveloppe mécanique et caractérisé en ce :
    au moins un composant dissipe une énergie sous forme de chaleur transmise majoritairement à la couche en matériau conducteur de chaleur ; et une portion d’au moins une face de la carte de circuit imprimé soit exposée à un volume ouvert (2) situé à l’extérieur du volume fermé (1) dans lequel circule un fluide absorbant la chaleur transmise par la carte.
  2. 2) dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que une portion de l’enveloppe mécanique soit réalisée par une portion de la carte de circuit imprimé,
  3. 3) dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la couche en matériau conducteur de chaleur de la carte de circuit imprimé soit métallique
  4. 4) dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la carte de circuit imprimé supporte mécaniquement une portion de l’enveloppe délimitant le volume fermé (1).
  5. 5) dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la carte de circuit imprimé supporte mécaniquement d’autres cartes électroniques situées dans le volume fermé (1).
  6. 6) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la couche en matériau conducteur de chaleur de la carte de circuit imprimé est mise en forme par découpe, usinage, pliage ou emboutissage.
  7. 7) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le volume fermé (1) soit rempli de résine diélectrique, dont la peau assure la fonction d’enveloppe mécanique.
  8. 8) Dispositif selon la revendication 1 et caractérisé en ce que la couche en matériau conducteur de chaleur de la carte de circuit imprimé soit pourvue de fixations.
  9. 9) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’un solide conducteur de chaleur est plaqué contre la carte de circuit imprimé dans le volume ouvert (2) et assure la conduction de la chaleur entre la carte de circuit imprimé et le fluide absorbant la chaleur.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150319840A1 (en) * 2012-09-25 2015-11-05 Denso Corporation Electronic device

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