FR3099639A1 - Dispositif de gestion thermique et électromagnétique d'un module électronique - Google Patents

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Abstract

Dispositif pour la gestion thermique et électromagnétique d'un module électronique. L’invention concerne un dispositif de gestion thermique et électromagnétique d'un module électronique comprenant un module électronique (1), un matériau à changement de phase (3) (MCP) et une enceinte (2) destinée à recevoir le matériau à changement de phase (3) et le module électronique (1),caractérisé en ce que : le matériau à changement de phase (3) est un métal ou un alliage métallique dans lequel le module électronique (1) est noyé, ledit module électronique (1) comprend un dispositif électronique et un carter de protection (11) définissant une surface extérieure et destiné à encapsuler le dispositif électronique de sorte à éviter un contact du Matériau à changement de phase (3) avec le dispositif électronique , et le dispositif comprend un système de positionnement (4) du module électronique dans l'enceinte configuré pour assurer un contact du matériau à changement de phase (3) sur l'ensemble de la surface extérieure du carter de protection (11) du dispositif électronique. Elle trouve pour application particulièrement avantageuse le domaine de la gestion thermique des dispositifs électroniques pouvant être placés dans un environnement thermique à risque, notamment dans des applications automobiles pour tous les équipements embarqués sous le capot d'un véhicule et pilotés par une carte électronique incluse dans l'équipement. Figure pour l’abrégé : Fig.1

Description

Dispositif de gestion thermique et électromagnétique d'un module électronique
L’invention concerne le domaine des dispositifs électroniques. Elle trouve pour application particulièrement avantageuse le domaine de la gestion thermique des dispositifs électroniques pouvant être placés dans un environnement thermique à risque, notamment dans des applications automobiles pour tous les équipements embarqués sous le capot d'un véhicule et pilotés par un dispositif électronique tel qu'une carte électronique incluse dans l'équipement.
Les dispositifs électroniques produisent un autoéchauffement et lorsqu'ils sont placés dans un environnement sujet à de fortes augmentations de température telles que dans le domaine automobile, les risques que la température du dispositif électronique et/ou celle des composants associés dépassent leur température maximale autorisée, classiquement autour de 150°C, sont donc élevés. Il est recherché des systèmes pour isoler thermiquement le dispositif électronique tout en assurant une dissipation de son propre échauffement.
Il est connu d'absorber des pics de puissance thermique ou de température par la fusion d'un matériau à changement de phase tel décrit dans le document US 7,069,979 B1. Ce dispositif est ici utilisé pour des solénoïdes et des moteurs électriques. Le matériau à changement de phase est utilisé pour absorber les calories.
Par ailleurs, les dispositifs électroniques tirent un avantage à être protégées électro-magnétiquement de sorte à assurer un fonctionnement sans interférence ou piratage. Il est par ailleurs important de protéger l’environnement immédiat d’un dispositif électronique des émissions électromagnétiques dudit dispositif électronique dans le but de respecter les contraintes normatives et garantir un fonctionnement normal des systèmes coexistant à son voisinage.
Le principe de la cage de Faraday est connu pour protéger électro-magnétiquement un composant d'un rayonnement extérieur ou protéger l'environnement du rayonnement du composant. Les dispositifs connus sont des enceintes dont l'enveloppe est en matériau électromagnétique.
Le principe de la cage de Faraday est parfois associé à des isolants thermiques tels que décrits dans la demande de brevet FR2713327 A1 concernant des panneaux de constructions pour la réalisation de cloisons.
Toutefois, il n'existe pas de solution satisfaisante dans le domaine de la microélectronique pour assurer une protection thermique simultanément à un blindage électromagnétique d'un dispositif électronique.
Un objet de la présente invention est donc de proposer un dispositif de gestion thermique et électromagnétique d'un module électronique.
Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés.
RÉSUMÉ
Pour atteindre cet objectif, la présente invention prévoit un dispositif de gestion thermique et électromagnétique d'un module électronique comprenant un module électronique, un matériau à changement de phase (MCP) et une enceinte destinée à recevoir le matériau à changement de phase et le module électronique. Le dispositif est caractérisé en ce que : le matériau à changement de phase est un métal ou un alliage métallique dans lequel le module électronique est noyé.
Avantageusement, ledit module électronique comprend un dispositif électronique et avantageusement ses connectiques et un carter de protection, définissant une surface extérieure du module électronique, et destiné à encapsuler le dispositif électronique de sorte à éviter un contact du Matériau à changement de phase avec le dispositif électronique.
De manière caractéristique, le dispositif comprend un système de positionnement du module électronique dans l'enceinte configuré pour assurer un contact du matériau à changement de phase sur l'ensemble de la surface extérieure du module électronique et plus particulièrement du carter de protection. Par ailleurs ce système de centrage permet d’assurer une épaisseur de MCP minimale tout autour du module électronique assurant la fonction de blindage thermique. Avantageusement, il limite par son matériau et/ou sa forme toute possibilité de fuite électromagnétique additionnelle.
L'utilisation d'un MCP au contact du module électronique permet de s'assurer que la température du module électronique reste proche de la température de changement de phase du MCP. En effet, le MCP va absorber la chaleur que ce soit la chaleur de l'environnement du module électronique ou la chaleur produite par le module électronique. Lors de son changement de phase, le MCP emmagasine en particulier une grande quantité de chaleur. Le MCP restitue la chaleur emmagasinée lorsque la température de l'environnement est inférieure à la température de changement de phase .
Le choix d'un MCP qui est un métal ou un alliage métallique assure une bonne conductivité thermique (de l'ordre de 30 W/m/K, tandis que des MCP organiques classiques sont autour de 1W/m/K) qui rend plus faciles les transferts thermiques, en particulier lors de la phase de restitution de la chaleur vers l’extérieur (avantageusement lors de la solidification du MCP). Cela permet aussi de mieux homogénéiser la température du module électronique et donc de mieux lutter contre l’autoéchauffement des composants qu’il comporte, c'est une fonction de dissipateur thermique. De plus, le choix d'un tel MCP permet d'assurer une protection électromagnétique, on parle également de blindage du module électronique. De plus, les MCP métalliques ou constitués d'alliages métalliques présentent une grande variété de température de changement de phase qui permet de s'adapter à différentes conditions d'utilisation et donc de température d'environnement..
Enfin, pour assurer une protection thermique et un blindage électromagnétique, le module électronique doit être entièrement entouré de MCP. Le système de positionnement assure une position correcte du module électronique en particulier lors des changements de phase du MCP qui passe, avantageusement selon l'invention de l'état solide à liquide et inversement. À l'état liquide, le module électronique aurait tendance à remonter sous l'action de la gravité, ou plus généralement, à se déplacer sous l’effet de forces, vibrations ou accélérations imposées par les conditions d’usage extérieures. Le système de positionnement assure notamment une protection thermique et avantageusement électromagnétique minimale suffisante sur toute la surface extérieure du module électronique.
De manière facultative, l’invention peut en outre présenter au moins l’une quelconque des caractéristiques suivantes :
Avantageusement, le MCP est un MCP à transition solide/liquide.
Un autre aspect de la présente invention concerne une utilisation d'un dispositif tel que décrit ci-dessus pour la gestion thermique et électromagnétique d'un module électronique configuré pour commander un actionneur ou un capteur pour un véhicule routier.
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels :
La figure 1 représente un dispositif de gestion thermique et électromagnétique selon l'invention
Les figures 2A à 2F représentent les possibles étapes d'assemblage pour la fabrication d'un dispositif selon la figure 1.
La figure 3 illustre un dispositif selon l'invention selon la figure 1 en perspective indiquant les dimensions.
Les dessins sont donnés à titre d'exemple et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques.
Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement.
Avantageusement, le système de positionnement est métallique, de sorte à maintenir la protection électromagnétique du dispositif.
Avantageusement, le carter de protection est avantageusement un matériau bon marché, facile à mettre en forme et supportant les températures de l’application.
Avantageusement, le module électronique comprend un fluide diélectrique ou un matériau d'interface thermique de type TIM (thermal interface material) agencé entre le carter de protection et le module électronique, configuré pour assurer la transmission thermique entre le dispositif électronique et le carter de protection.
Avantageusement, le système de positionnement est fixé au module électronique ce qui facilite le procédé de montage du système.
Avantageusement, le système de positionnement comprend au moins trois pattes agencées pour empêcher un contact du module électronique sur l'enceinte.
Avantageusement, le matériau à changement de phase est un matériau à changement de phase solide/liquide. L'enthalpie du changement de phase solide / liquide est la plus importante ce qui permet une gestion optimale de la température du dispositif électronique et plus particulièrement une protection thermique optimale du module électronique.
Avantageusement, l'enceinte comprend un système de gestion de la dilation du MCP lors du changement de phase. Avantageusement, l'enceinte est configurée pour se déformer pour absorber le changement de volume du MCP. Il est ainsi avantageux de choisir un MCP métallique qui présente une faible dilation lors du changement de phase.
Avantageusement, le matériau à changement de phase est choisi de sorte à avoir une température de fusion comprise entre 50°C et 200°C préférentiellement 110°C et 150°C.
Avantageusement, le matériau à changement de phase choisi est un eutectique binaire comprenant de l'étain et du Bismuth, préférentiellement 42% d'étain et 58% de Bismuth, avantageusement la température de fusion de cet eutectique binaire est de 138°C.
Avantageusement, le module électronique comprend un moyen de connexion électrique traversant l'enceinte, l'enceinte comprenant un passage traversant étanche pour assurer l'étanchéité de l'enceinte vis-à-vis du MCP. Avantageusement, l'enceinte est en plastique haute température, par exemple PPS ou PBT. Ce type de plastique présente un très bon rapport qualité/prix. L'enceinte constitue une isolation dont l’épaisseur est un paramètre qui peut permettre de limiter le flux de chaleur à stocker dans le MCP. Le passage traversant étanche peut être avantageusement assuré par une traversée étanche par exemple de la marque Spectite®.
Avantageusement, le dispositif comprend un système de repli du moyen de connexion sur lui-même agencé dans l'enceinte de sorte à replier le moyen de connexion entre le passage traversant et le module électronique. Le système de repli du moyen de connexion est avantageusement en métal pour assurer une continuité du blindage électromagnétique. Le fil de connexion électrique étant métallique, le contact direct avec le MCP n’est a priori pas souhaitable et une gaine isolante peut être nécessaire, créant ainsi une ouverture inévitable dans le blindage électromagnétique. En obligeant le fil de connexion à suivre un détour, l’influence de ce passage traversant sur l’efficacité de blindage est limité en ne permettant aux perturbations de traverser cette ouverture qu’au prix de multiples réflexions et donc de l’affaiblissement de la perturbation.
Avantageusement, le dispositif électronique du module électronique comprend une carte électronique configurée pour commander une vanne EGR (Recyclage des gaz d'échappement) pour un moteur thermique.
Par dispositif électronique, on entend tout type de dispositif réalisé avec des moyens de la microélectronique. Ces dispositifs englobent notamment en plus des dispositifs à finalité purement électronique, des dispositifs micromécaniques ou électromécaniques (MEMS, NEMS…), ainsi que des dispositifs optiques ou optoélectroniques (MOEMS…).
Le dispositif selon l'invention comprend un module électronique 1. Le module électronique 1 comprend au moins un dispositif électronique pouvant être une carte électronique comprenant notamment un circuit imprimé 10 et des composants électroniques 5. Le module électronique 1 comprend avantageusement un carter de protection 11 enveloppant le dispositif électronique . Le dispositif électronique est dit encapsulé par le carter de protection 11. Le carter de protection définit la surface extérieure du module électronique 1 qui est éventuellement définie en son absence par la surface du dispositif électronique. Selon ce mode de réalisation, le module électronique 1 comprend un fluide diélectrique ou bien un matériau d'interface thermique de type TIM (Thermal Interface Material) pour permettre la conduction thermique de la chaleur produite par l'autoéchauffement du dispositif électronique vers l'extérieur du module électronique 1 et en particulier vers le MCP 3 décrit ci-après. À titre d'exemple le fluide diélectrique ou bien un matériau d'interface thermique de type TIM est choisi parmi des huiles thermiques, des graisses thermiques, des Matériaux d'interface thermique silicone ou des remplisseurs d'espace solide.
Le dispositif selon l'invention comprend une enceinte 2 destinée à recevoir au moins un module électronique 1. La description est faite en référence à un module électronique 1 dans une enceinte 2, toutefois l'invention peut concerner également une enceinte 2 contenant plusieurs modules électroniques 1. L'enceinte 2 définit un volume intérieur clos. L'enceinte 2 comprend une base 12 et un couvercle 9 pour fermer la base 12 comme illustrée à la figure 2. La base 12 comprend un fond 13 et des bords 14. L'enceinte 2 est avantageusement étanche au fluide (liquide et gaz). L'enceinte 2 est avantageusement en matériau résistant aux températures d'utilisation du module électronique. À titre d'exemple, l'enceinte 2 est en matériau plastique tel que le sulfure de polyphénylène (PPS) qui est un plastique technique semi-cristallin haute performance doté de propriétés mécaniques à haute température et d’une résistance chimique extrêmement élevées ou le poly(téréphtalate d'éthylène), connu sous le sigle PBT qui est un thermoplastique semi-cristallin de la famille des polyesters.
Avantageusement, pour maintenir le blindage électromagnétique, l'enceinte 2 ne présente aucune ouverture plus grande que la valeur de la longueur d’onde minimale dont on veut se protéger.
L'enceinte 2 présente une épaisseur influençant le flux de chaleur devant être stockée par le dispositif selon l'invention. À titre d'exemple, l'épaisseur, des parois de l'enceinte, est comprise entre 0,5 à 3 mm, plus précisément un ordre de grandeur de 1 mm.
Le dispositif selon l'invention comprend un matériau à changement de phase 3 (MCP). Le MCP 3 est contenu dans l'enceinte 1. Le module électronique 2 est noyé dans MCP 3. On entend par noyé que le MCP 3 recouvre le module électronique 2, avantageusement sur toutes ses faces, et préférentiellement à l’exception du ou des points de contact avec le système de positionnement. Le module électronique 3 est avantageusement recouvert de MCP 3 dans toutes les directions. Toute la surface extérieure du module électronique 1 et en particulier du carter de protection 11 est en contact du MCP 3. Le dispositif selon l'invention est configuré pour que le module électronique 3 soit enveloppé dans le MCP 3.
Selon l'invention, le MCP 3 est un métal ou un alliage métallique. On entend par alliage métallique que le MCP 3 comprend plusieurs MCP métalliques. Dans la suite de la description, la référence à un MCP 3 n’est pas limitative. Le MCP 3 formé d'un alliage métallique est un eutectique. Le MCP 3 est configuré pour assurer une continuité d'un volume métallique autour du module électronique 1. Avantageusement, des inclusions ou jours éventuels dans le volume du MCP 3 sont métalliques.
Le MCP 3 selon l'invention est un MCP à transition solide/liquide. Différents MCP métalliques peuvent être utilisés. Pour l'application à un dispositif électronique, plus spécifiquement par exemple à une carte électronique, le MCP 3 utilisé aura une température de fusion de l’ordre de 50 à 200 °C plus spécifiquement de 110-150°C. De préférence, le MCP 3 aura une bonne capacité calorifique et une conductivité thermique la plus élevée possible.
À titre d'exemple, le MCP est un alliage métallique comprenant de l'étain et du Bismuth. Préférentiellement, le bismuth est présent pour 58% et l'étain 42% en poids du poids total de l'alliage. Ce MCP eutectique présente une température de fusion de 138°C.
Le MCP 3 est un matériau à deux phases préférentiellement solide et liquide dont le passage entre ces deux phases stocke ou libère de l’énergie. Préférentiellement, le passage d’une première phase à une deuxième phase va nécessiter de la chaleur qui est donc stockée dans le MCP dans sa deuxième phase. A contrario, le passage de la deuxième phase à la première phase est exothermique et libère la chaleur stockée. L’enthalpie de changement de phase est relativement importante en comparaison de la variation d’énergie sensible d’un matériau. Par conséquent, les systèmes avec MCP sont intéressants, car la quantité d’énergie stockée par unité de volume (et de masse) est supérieure à celle obtenue par un système sensible (meilleure densité de stockage). De ce fait les volumes de stockage et de matériaux sont réduits, ce qui diminue le prix du système.
Le MCP 3 va stocker les calories de son environnement. Dans le dispositif selon l'invention, le MCP stocke les calories produites par le module électronique 1, dû à l'autoéchauffement, ainsi que celle de l'environnement extérieur, par exemple d'un moteur thermique dans le cas d'une application dans le domaine automobile. Le MCP 3 va stocker les calories par stockage de chaleur sensible jusqu'à atteindre sa température de fusion. À ce moment, le changement de phase du MCP 3 est fortement endothermique et emmagasine des calories par stockage de chaleur latente permettant de maintenir le module électronique à une température inférieure à sa température maximale de fonctionnement. Au-delà de sa température de fusion, le MCP 3 peut continuer de stocker des calories par stockage de chaleur sensible.
Le MCP 3 redistribue les calories emmagasinées quand la température de l'environnement extérieur sera inférieure à sa propre température. Le MCP 3 change alors de phase par une transformation exothermique. Le MCP 3 redistribue également les calories emmagasinées vers le module électronique 1 lorsque sa température est inférieure à celle du MCP, mais avantageusement aussi vers le module électronique 1. Cela permet d'éviter des variations de température trop importantes et/ou trop rapides au niveau du module électronique 1 et permet ainsi une gestion thermique du module électronique.
Le MCP 3 permet ainsi d'assurer une gestion thermique du module électronique 1. De plus le choix d'un MCP 3 métallique permet d'assurer simultanément une protection électromagnétique du module électronique 1.
Le changement de phase solide/liquide du MCP 3 s'accompagne d'une variation du volume du MCP 3. Cette variation de volume est avantageusement faible avec les MCP 3 métalliques (particulièrement avec l’alliage choisi, dont la variation est quasi nulle grâce à la présence de Bismuth dont la variation de volume est à l’inverse de la plupart des matériaux (comme l’eau) ce qui contrebalance la variation de l’étain).
Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend un système de gestion de la dilatation du MCP 3. Selon une première possibilité préférée, l'enceinte 2 est configurée pour accepter une déformation correspondant à l'expansion volumique du MCP 3. Selon une deuxième possibilité, l'enceinte 2 comprend un ciel de gaz configuré pour être comprimé lors de l'expansion volumique du MCP 3, l'enceinte 2 est configurée pour accepter cette augmentation de pression dans son volume intérieur. Le ciel de gaz est avantageusement configuré pour ne pas dégrader le MCP 3. Selon une troisième possibilité, l'enceinte 2 comprend un ciel de gaz et au niveau de son couvercle 9 une ouverture ou une pluralité d'ouvertures. Selon un mode de réalisation, l'ouverture ou la pluralité d'ouvertures est de faible taille, inférieure avantageusement à la valeur de la longueur d'onde devant être bloquée par le blindage électromagnétique. Les ouvertures permettent de libérer le ciel de gaz sans augmenter la pression du volume intérieur de l'enceinte 2. Cette troisième possibilité n'est envisageable que si le dispositif selon l'invention est destiné à rester toujours horizontal pour éviter les fuites de MCP 3.
Selon l'invention, le dispositif comprend un système de positionnement du module électronique 1 dans l'enceinte 2. Le système de positionnement permet d'assurer une position constante du module électronique 1 dans l'enceinte 2 pour assurer une protection thermique et électromagnétique, quel que soit l'état du MCP3. En effet, lorsque le MCP 3 est à l'état liquide, le système de positionnement permet de maintenir le module électronique 1 noyé dans le MCP 3 sans risquer que le module électronique 1 vienne en contact de l'enceinte 2 ce qui réduirait voire anéantirait la protection thermique et électromagnétique.
Le système de positionnement est avantageusement métallique de sorte à permettre le blindage électromagnétique. À titre d'exemple, le système de positionnement est en acier. Selon un mode de réalisation illustré aux figures, le système de positionnement comprend trois pattes 4 métalliques agencées entre l'enceinte 2 et le module électronique 1 de sorte à maintenir un espace entre le module électronique 1 et l'enceinte 2. Le système de positionnement peut comprendre au moins l'un parmi des lames, des ressorts, des plots, des fils rigides, des barreaux, ou bien une combinaison de deux ou plusieurs de ces éléments. Selon une possibilité, les pattes 4 sont fixées au module électronique 1 seulement. Les pattes 4 ne sont pas fixées à l'enceinte 2 ce qui permet de faciliter la gestion de la dilatation du MCP 3 notamment par l'enceinte 2.
Le dispositif selon l'invention, le module électronique 1 comprend avantageusement un moyen de connexion électrique 6 le reliant à d'autres organes, notamment un organe commandé par le module électronique. Le moyen de connexion électrique 6 comprend au moins un fil ou câble électrique. Le fil ou câble électrique est avantageusement souple. À titre d'exemple préféré, le moyen de connexion 6 présente un diamètre de 0.1 à 3 mm. L'enceinte 2 est avantageusement configurée pour permettre le passage du moyen de connexion 6 entre son volume intérieur et l'environnement extérieur. L'enceinte 2 comprend préférentiellement un passage traversant 8. Les caractéristiques du passage traversant 8 et du ou des fils de connexions sont choisies de manière à maintenir la longueur caractéristique de l’isolant (gaine plastique autour du fil de connexion isolant le MCP du fil de connexion) inférieure à la longueur d’onde. Le passage traversant 8 est formé soit sur le couvercle 9, soit sur la base 12 de l'enceinte. Préférentiellement, le passage traversant 8 est étanche aux fluides et en particulier au MCP 3 et cela notamment dans le cas où le passage traversant 8 est formé sur la base 12 de l'enceinte 2. L'étanchéité peut être assurée par une traverse étanche notamment de la marque Spectite® ou bien par collage.
Le dispositif selon l'invention comprend avantageusement un système de repli du moyen de connexion 6 sur lui-même. Le système de repli est agencé dans l'enceinte 2 entre le passage traversant 8 et le module électronique 1 et permet de maintenir le moyen de connexion 6 sous forme courbe entre le passage traversant 8 et le module électronique 1, par exemple replié sur lui-même, notamment sous forme de chicane pour maintenir le blindage électromagnétique en limitant voir en bloquant la transmission des ondes. En effet, les formes courbes limitent la transmission des ondes électromagnétiques par l’interstice entre le MCP et le ou les fil(s) de connexion conducteurs, c’est-à-dire la gaine isolante. Le système de repli est avantageusement du même type que le système de positionnement. Le système de repli est avantageusement en métal, tel que par exemple en acier. Une patte de fixation 7 ou de pincement du moyen de connexion 6 peut-être prévue.
Selon un mode de réalisation préféré, illustré en figure 1 et 3 notamment, le MCP 3 entoure le module électronique 1 sur toutes ses dimensions par une épaisseur ep1 constante de MCP, par exemple ep 1 est de l'ordre de 1 à 10mm, plus spécifiquement de l'ordre de 3mm. Selon une possibilité préférée, l'épaisseur de MCP 3 est plus importante au niveau du système de repli du moyen de connexion 6 de sorte à s'assurer que le moyen de connexion 6 est bien noyé dans le MCP 3. À titre d'exemple, cette épaisseur ep2 est de 5 mm. Pour limiter le surcoût, le système de repli est avantageusement agencé sur un bord 14 de l'enceinte 2.
L'invention concerne également un procédé d'assemblage d'un dispositif selon l'invention tel que décrit ci-dessous. Le procédé d'assemblage comprend les étapes suivantes, illustrées aux figures 2A à 2F et décrites ci-après.
L'enceinte 2 illustrée à la figure 2A est formée par une base 12 comprenant un fond 13 et des bords 14. L'enceinte comprend des parois qui définissent un volume intérieur. L'enceinte 2 est avantageusement moulée ou usinée d’un seul bloc.
Le passage traversant 8 avantageusement étanche est mis en place sur l'enceinte 2, par exemple sur un bord 14 comme illustré à la figure 2B. Le passage traversant 8 permet de faire passer le moyen de connexion 6 à travers l'enceinte 2. Une ouverture est ainsi formée avantageusement sur un des bords 14 de l'enceinte 2 et une traverse étanche est avantageusement mise en place dans l'ouverture en y faisant passer le moyen de connexion 6.
Le système de positionnement est mis en place. Avantageusement, les pattes 4 du système de positionnement sont fixées au module électronique 1, notamment par soudure. Le système de replis du moyen de connexion 6 est également mis en place. Préférentiellement, la patte de fixation 7 est fixée au module électronique 1 comme illustré à la figure 2C.
Le moyen de connexion 6 est relié au module électronique 1. Avantageusement, les connectiques du fil électrique sont soudées au dispositif électronique, ou au carter de protection 11 si présent, comme illustré à la figure 2C.
Le module électronique 1est mise en place dans l'enceinte 2, en particulier dans le volume intérieur défini par la base 12 de l'enceinte 2. Les pattes de positionnement 4 sont avantageusement en contact avec l'enceinte 2, comme illustré à la figure 2D.
Le MCP 3 est introduit, préférentiellement en phase liquide, dans l'enceinte 2, comme illustré à la figure 2E.
Le couvercle 9 de l'enceinte 2 est mis en place pour rendre l'enceinte 2 close. Le couvercle 9 est avantageusement soudé thermiquement à la base 12 de l'enceinte 2.
Selon un exemple, le cas d’application choisi est un actionneur qui fonctionne dans une ambiance cyclique entre 110°C et 150°C avec un moteur à courant continu produisant 2 à 4 W et un autoéchauffement de 1°C à 5°C.
Un tel actionneur est par exemple l'actionneur d’une vanne EGR pour les moteurs thermiques. L'actionneur intègre une carte électronique de pilotage dont la température ne doit localement pas dépasser 150°C. Cette carte est soumise à trois agressions thermiques :
  • L’ambiance extérieure à l’actionneur (sous le capot du véhicule, proche du moteur thermique) dont la température oscille entre 110°C et 150°C selon les régimes moteurs (la température de 150°C est en générale atteinte lors des montées de côtes). Un profil type de dimensionnement considère des cycles de 30 min à 110°C, puis une rampe de montée de 15 min pour atteindre 150°C, puis un maintien à 150°C de 30 min, et enfin une redescente à 110°C en 15 min. Ce type de cyclage est propice à l’utilisation de MCP, car il laisse une plage de solidification (pour ressortir la chaleur du MCP) entre deux besoins d’écrêtage thermique.
  • Le moteur à courant continu qui génère une puissance de l’ordre de 0 à 50 W dont une partie va chauffer la carte électronique.
  • L’autoéchauffement de la carte électronique (puissance d’autoéchauffement de 0 à 10W par composant de la carte électronique).
MCP sélectionné: Pour ne pas dépasser les 150°C sur la carte électronique quand le moteur thermique est à 150°C et que la machine à courant continu fonctionne, il faut être capable d’absorber de la chaleur, qui sera ressortie du dispositif quand le moteur thermique sera à 110°C. Le MCP 3 sélectionné doit donc avoir une température de fusion comprise entre 110°C et 150°C.
Le MCP 3 est un eutectique comprenant 42% Sn – 58% Bi qui présente les principales caractéristiques suivantes :
  • Température de fusion : 138°C.
  • Enthalpie de fusion massique : 44.8 J/g.
  • Masse volumique : 8560 kg/m3
  • Densité de stockage : 106.5 kW.h/m3. Ce qui est en fait un très bon MCP de ce point de vue.
  • Expansion volumique au changement de phase < 1%
  • Conductivité thermique : 30 W/m/K. Peut permettre une fonction de dissipation thermique intéressante dans le cas de l’autoéchauffement du module électronique.
  • Résistivité électrique : σ = 1.25E-6 Siemens/m. (soit une résistivité électrique relative de σr = 0.021)
  • Perméabilité magnétique relative : μr = 1. L’eutectique 42%Sn 58% Bi est très proche des caractéristiques de l’acier inoxydable du point de vue de la résistivité électrique relative et de la perméabilité magnétique relative ce qui en fait un matériau de blindage électromagnétique très satisfaisant.
Dimensionnement détaillé du dispositif selon l'invention
Le module électronique 1 de notre cas d’application a les dimensions suivantes (avec ses composants et son éventuel carter de protection 11 si on veut éviter le contact MCP 3 / composant électronique 5):
  • Hauteur Hm 10 mm
  • Longueur Lm 50 mm
  • Largeur lm 50mm
D’un point de vue géométrique, la carte électronique reçoit de l'énergie thermique, elle est « agressée » thermiquement, depuis toutes les directions : au-dessus et sur les côtés, elle est très proche de l’ambiance locale sous capot et sur le dessous elle reçoit le flux de la machine à courant continu. L'agencement du MCP 3 tout autour de la carte électronique permet de la protéger dans toutes les directions.
Avantageusement, l’épaisseur ep1 de MCP sélectionnée est de 3mm sur tous les côtés. Préférentiellement, le côté qui contient le moyen de connexion 6 présente une épaisseur ep2 de MCP supérieure, avantageusement de 5mm. Le fil électrique du moyen de connexion 6 est souple présentant une section de passage de fil de 0.75mm2, soit un diamètre de fil incluant la gaine proche de 1mm.
Les pattes de positionnement 4 et de fixation 7 du moyen de connexion 6 sont des cylindres de fer de 2mm de diamètre. L'enceinte 2 est en PPS.
L'enceinte est considérée suffisamment souple pour absorber le 1% d’expansion volumique au changement de phase du MCP 3.
Le volume de MCP (42% Sn – 58% Bi) entourant le module électronique 1 est de 27 cm3, soit 336 g de MCP 3, soit une capacité d’absorption d’énergie au changement de phase de 10.5kJ (3 W.h).
Des calculs FLUENT et des mesures expérimentales effectuées avec d’autres MCP ont montré que ce niveau d’absorbation d’énergie était suffisant pour améliorer significativement le chargement thermique de la carte électronique soumise au cyclage de température ambiante ainsi qu’à la puissance dégagée par le moteur à courant continu (l’autoéchauffement n’était par contre pas représenté).
Par ailleurs le blindage obtenu avec cette épaisseur de 3mm d’eutectique 42%Sn – 58% Bi est calculée de la manière suivante:
Hypothèses :
  • Onde plane infinie en champ lointain
  • Influence du fil de connexion négligée (grâce à la chicane)
  • Réflexions multiples négligées (vraies pour une épaisseur de blindage supérieure à l’épaisseur de peau
Terme d’absorbation :
  • Epaisseur de peau : [Math. 1]
  • Atténuation en décibel : [Math. 2] avec e l’épaisseur de MCP en mm.
Terme de réflexion :
  • Effet de la réflexion en décibels : [Math. 3]
Au total, l’atténuation obtenue en fonction des fréquences est la suivante :
Fréquence Atténuation pour 3mm de Sn42% Bi58%
0.1kHz 132 Db
1 KHz 124 Db
10 kHz 118 Db
50 kHz 118 Db
100 kHz 120 Db
500 kHz 137 Db
1 MHz 151 Db
10 MHz 270 Db
100MHz 665 Db
1GHz 1940 Db
L’atténuation est pour toutes les fréquences très élevées, validant la fonction de blindage électromagnétique.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s’étend à tous les modes de réalisation couverts par les revendications.
Liste des références
1 module électronique
2 enceinte
3 matériau à changement de phase
4 patte de positionnement
5 composant électronique
6 fil de connexion
7 patte de fixation du fil de connexion
8 passage étanche
9 couvercle
10 circuit imprimé
11 carter de protection
12 base
13 fond
14 bords
Hm Hauteur module électronique
Lm Longueur module électronique
lm Largeur module électronique
He Hauteur enceinte
Le Longueur enceinte
le Largeur enceinte
ep1 épaisseur de MCP
ep2 épaisseur de MCP

Claims (12)

  1. Dispositif de gestion thermique et électromagnétique d'un module électronique comprenant un module électronique (1), un matériau à changement de phase (3) (MCP) et une enceinte (2) destinée à recevoir le matériau à changement de phase (3) et le module électronique (1),
    caractérisé en ce que :
    • le matériau à changement de phase (3) est un métal ou un alliage métallique dans lequel le module électronique (1) est noyé,
    • ledit module électronique (1) comprend un dispositif électronique et un carter de protection (11), définissant une surface extérieure du module électronique, et destiné à encapsuler le dispositif électronique de sorte à éviter un contact du Matériau à changement de phase (3) avec le dispositif électronique, et
    • le dispositif de gestion thermique et électromagnétique comprend un système de positionnement (4) du module électronique dans l'enceinte configuré pour assurer un contact du matériau à changement de phase (3) sur l'ensemble de la surface extérieure du module électronique (1).
  2. Dispositif selon la revendication précédente dans lequel le système de positionnement (4) est métallique.
  3. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le module électronique (1) comprend un fluide diélectrique ou un matériau d'interface thermique de type TIM (thermal interface material) agencé entre le carter de protection (11) et le module électronique (1), configuré pour assurer la transmission thermique entre le dispositif électronique et le carter de protection (11).
  4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le système de positionnement (4) est fixé au module électronique (1).
  5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le système de positionnement comprend au moins trois pattes (4) agencées pour empêcher un contact du module électronique (1) sur l'enceinte (2).
  6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l'enceinte (2) comprend un système de gestion de la dilation du MCP (3) lors du changement de phase.
  7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le matériau à changement de phase (3) est choisi de sorte à avoir une température de fusion comprise entre 50 et 200°C, plus précisément entre 110°C et 150°C.
  8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le matériau à changement de phase (3) choisi est un eutectique binaire comprenant de l'étain et du Bismuth, préférentiellement 42% d'étain et 58% de Bismuth, avantageusement la température de fusion de cet eutectique binaire est de 138°C.
  9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le module électronique comprend un moyen de connexion électrique (6) traversant l'enceinte (2), l'enceinte (2) comprenant un passage traversant (8) étanche pour assurer l'étanchéité de l'enceinte vis-à-vis du MCP (3).
  10. Dispositif selon la revendication précédente comprend un système de repli (7) du moyen de connexion (6) sur lui-même agencé dans l'enceinte (2) de sorte à replier le moyen de connexion (6) entre le passage traversant (8) et le module électronique (1).
  11. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le module électronique (1) comprend une carte électronique configurée pour commander une vanne EGR (Recyclage des gaz d'échappement) pour un moteur thermique.
  12. Utilisation d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 pour la gestion thermique et électromagnétique d'un module électronique (1) configuré pour commander un actionneur ou un capteur pour un véhicule routier.
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