WO2020011937A1 - Dissipateur thermique à conductivité thermique améliorée - Google Patents

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Philippe Lopez
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Continental Automotive France
Continental Automotive Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to the technical field of heat sinks for electronics, and more particularly such heatsinks made of composite materials.
  • the electronic components produce a thermal release by Joules effect, without consequence as long as the components are placed in isolation and in a medium favoring the heat dissipation.
  • the thermal release of an electronic component can become problematic. This is also the case for power electronic components such as MOSFET insulated gate field effect transistors (acronym for "Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor").
  • such an electronic card or such a processor can be subjected to a notable rise in temperature as long as the thermal release of their electronic components is not in equilibrium with the heat dissipation of the electronic card or of the processor. Such a rise in temperature can shorten the life of electronic components, even limit their operation or destroy them.
  • heat sink made of thermally conductive material, disposed substantially in contact with the electronic components causing the thermal release to be evacuated.
  • Aluminum is generally used for such heatsinks because of its cost, ease of use during manufacturing, and good thermal conductivity. Copper can also be used due to its better thermal conductivity despite a higher density making copper heatsinks heavier than their aluminum counterparts.
  • a thermally conductive compound is placed between the electronic components and the heat sink to improve the surface and thermal conductivity of the contact area.
  • a thermally conductive compound can be of semi-fluid or thermal cushion type ("thermal pad" in English).
  • the subject of the invention is a heat sink comprising a first face in contact with electronic components generating heat to be removed and a second face in contact with the medium in which dissipate the heat generated by electronic components, comprising at least one device for improvement of thermal conductivity comprising a dome-shaped surface, a pawn and a lateral section of revolution around the pawn, the dome-shaped surface being connected to one end of the pawn and to the lateral section of revolution, the surface in dome shape being disposed on the side of the second face, the free end of the pin being disposed on the side of the first face.
  • the heat sink can be made of a material comprising graphite fibers held substantially parallel in a composite matrix.
  • the second face can be provided with at least one means for increasing the heat sink exchange surface with the medium in which dissipate the heat generated by the electronic components, in particular a fin.
  • Two neighboring thermal conductivity enhancers can be connected through their side revolution sections.
  • the width of the pin can be equal to the thickness of the lateral section of revolution.
  • the lateral section of revolution of a device for improving the thermal conductivity may have an angle of 30 ° with the pin of said device for improving the thermal conductivity.
  • the heat sink may include removable fixing means.
  • FIG. 1 illustrates a sectional view of the heat sink according to the invention
  • FIG. 2 illustrates a sectional view of a device for improving the thermal conductivity of a heat sink according to the invention
  • FIG. 3 illustrates a bird's eye view of a heat sink according to the invention.
  • the inventor had the idea of using a revolutionary composite material in order to form a heat sink by injection or molding.
  • Such a material includes graphite fibers in a composite matrix.
  • graphite is a particular crystalline form of carbon forming a stack of sheets, each sheet having a honeycomb structure completely made of carbon and forming a single crystal.
  • the thermal conductivity of such a crystal is particularly good in the plane of a sheet, of the order of 168W / mK.
  • the conductivity from one sheet to another is then dependent on the conductivity of the medium in which the sheets are included, here the composite matrix.
  • the conductivity of a polyamide composite matrix is of the order of 0.25 W / mK and varies according to the degree of polymerization.
  • the thermal conductivity of aluminum is 250W / mK.
  • the material has the particularity that the graphite fibers are oriented so as to be substantially parallel to each other and perpendicular to the surface to be thermally dissipated, for example the surface of the device. In doing so, the material has a first thermal conductivity in the directions included in a plane parallel to the plane of the graphite fibers, and a second thermal conductivity in the direction perpendicular to the plane of the graphite fibers.
  • the first conductivity, on the order of 14W / mK, is higher than the second conductivity, on the order of 5W / mK.
  • Such a material is combined with a particular form of the heat sink making it possible to maintain the orientation properties of the thermal conductivity of the material.
  • the heat sink according to the invention is in the form of a plate adapting to the area of the electronic card or of the processor comprising the components generating heat to be dissipated.
  • FIG. 1 illustrates a sectional view of the heat sink 1 comprising a first face 2 in contact with the components generating heat to be removed and a second face 3 in contact with the medium in which dissipate the heat generated by the components.
  • the second face 3 is provided with at least one means 4 for increasing the exchange surface, such as a fin.
  • the second face 3 also comprises at least one dome-shaped surface 5 corresponding to a first end of a pin 6 on the first face 2.
  • the second end of the pin 6 is in direct or indirect contact with at least a part of the components generating heat to be dissipated, possibly via a conductive thermal compound, of the thermal paste type.
  • the first end of the pin 6 is connected on either side to a lateral section of revolution 7 whose external surfaces on the side of the second surface 3 are included for dome-shaped parts in the surface 5.
  • a heat sink 1 according to the invention can comprise several devices improving the thermal conductivity each connected via their lateral revolution sections 7.
  • Figure 2 illustrates in more detail a device for improving thermal conductivity.
  • the width of the pin 6 is equal to the thickness of the side sections of revolution 7.
  • the side sections have an angle of 60 ° relative to each other.
  • the dome-shaped surface has a radius of curvature of 3. This dimensioning makes it possible to best maintain, during injection molding, the alignment of the graphite fibers in the molding material.
  • a device for improving the thermal conductivity is thus obtained in which the thermal conductivity is the best in a direction depending on the thickness of the heat sink.
  • FIG. 3 illustrates a view from above on a heat sink according to the invention, comprising five devices for improving the thermal conductivity arranged on an elevation making it possible to arrange the devices for improving the thermal conductivity in contact with the electronic components or processors arranged opposite.
  • each device for improving the thermal conductivity comprises a pin 6 surrounded by a surface of revolution 7a in the form of a well resulting from the rotation of the internal surface of a lateral section of revolution 7 around the axis of revolution of the corresponding pawn 6.
  • the heat sink is also provided with a shoulder enabling the components of the electronic card on which the heat sink is placed to be sealed 1.
  • Fixing means can be provided to secure the heat sink 1 to the corresponding electronic card, by the 'through screws and corresponding bores as illustrated in Figure 3, one by any other removable fixing means.

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Abstract

Dissipateur thermique (1) comprenant une première face (2) au contact de composants électroniques générant de la chaleur à évacuer et une deuxième face (3) en contact avec le milieu dans lequel dissiper la chaleur générée par les composants électroniques, comprenant - au moins un dispositif d'amélioration de la conductivité thermique comprenant une surface en forme de dôme (5), un pion (6) et une section latérale de révolution (7) autour du pion (6), la surface en forme de dôme (5) étant connectée à une extrémité d'un pion (6) et à la section latérale de révolution (7), - la surface en forme de dôme (5) étant disposée du côté de la deuxième face (3), l'extrémité libre du pion (6) étant disposée du côté de la première face (2).

Description

Dissipateur thermique à conductivité thermique améliorée
L’invention a pour domaine technique les dissipateurs thermiques pour l’électronique, et plus particulièrement de tels dissipateurs en matériaux composites.
Les composants électroniques produisent un dégagement thermique par effet Joules, sans conséquence tant que les composants sont disposés de façon isolée et dans un milieu favorisant la dissipation thermique. Toutefois, dès qu’ils sont employés au sein de cartes électroniques ou intégrés au sein de circuits intégrés, tels que des processeurs, le dégagement thermique d’un composant électronique peut devenir problématique. C’est également le cas pour les composants électroniques de puissance tels que des transistors à effet de champ à grille isolée MOSFET (acronyme anglophone pour « Métal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor »).
En effet, une telle carte électronique ou un tel processeur peut être soumis à une élévation de température notable tant que le dégagement thermique de leurs composants électroniques n’est pas en équilibre avec la dissipation thermique de la carte électronique ou du processeur. Une telle élévation de température peut réduire la durée de vie des composants électroniques, voire limiter leur fonctionnement ou les détruire.
Pour éviter cela, il est communément admis d’employer un dissipateur thermique réalisé en matériau thermiquement conducteur, disposé sensiblement en contact avec les composants électroniques à l’origine du dégagement thermique à évacuer. L’aluminium est généralement employé pour de tels dissipateurs en raison de son coût, de sa facilité d’emploi lors de la fabrication et de sa bonne conductivité thermique. Le cuivre peut également être employé de par sa meilleure conductivité thermique en dépit d’une densité plus élevée rendant les dissipateurs en cuivre plus lourds que leurs homologues en aluminium.
Dans certains cas, un composé thermiquement conducteur est disposé entre les composants électroniques et le dissipateur thermique afin d’améliorer la surface et la conductivité thermique de la zone de contact. Un tel composé thermiquement conducteur peut être de type semi-fluide ou coussin thermique (« thermal pad » en langue anglaise).
A travers l’abaissement constant des niveaux de pollution tolérés dans le milieu automobile, il est requis d’améliorer l’efficacité des différents dispositifs installés dans un véhicule automobile, notamment au niveau de leur masse. La réduction de masse globale du véhicule permet en effet de réduire les niveaux de pollution et d’augmenter l’autonomie des véhicules automobiles.
A ce titre, il existe un besoin pour une amélioration de la masse des différents dissipateurs thermiques permettant la régulation de la température des différents calculateurs embarqués. L’invention a pour objet un dissipateur thermique comprenant une première face au contact de composants électroniques générant de la chaleur à évacuer et une deuxième face en contact avec le milieu dans lequel dissiper la chaleur générée par les composants électroniques, comprenant au moins un dispositif d’amélioration de la conductivité thermique comprenant une surface en forme de dôme, un pion et une section latérale de révolution autour du pion, la surface en forme de dôme étant connectée à une extrémité du pion et à la section latérale de révolution, la surface en forme de dôme étant disposée du côté de la deuxième face, l’extrémité libre du pion étant disposée du côté de la première face.
Le dissipateur thermique peut être réalisé dans un matériau comprenant des fibres de graphite maintenues sensiblement parallèles dans une matrice composite.
La deuxième face peut être munie d’au moins un moyen d’augmentation de la surface d’échange du dissipateur thermique avec le milieu dans lequel dissiper la chaleur générée par les composants électroniques, notamment une ailette.
Deux dispositifs d’amélioration de la conductivité thermique voisins peuvent être connectés par l’intermédiaire de leurs sections latérales de révolution.
Dans un dispositif d’amélioration de la conductivité thermique, la largeur du pion peut être égale à l’épaisseur de la section latérale de révolution.
La section latérale de révolution d’un dispositif d’amélioration de la conductivité thermique peut présenter un angle de 30° avec le pion dudit dispositif d’amélioration de la conductivité thermique.
Le dissipateur thermique peut comprendre des moyens de fixation démontables.
D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemples non limitatifs et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 illustre une vue en coupe du dissipateur thermique selon l’invention,
- la figure 2 illustre une vue en coupe d’un dispositif d’amélioration de la conductivité thermique d’un dissipateur thermique selon l’invention, et
- la figure 3 illustre une vue plongeante sur une dissipateur thermique selon l’invention.
L’inventeur a eu l’idée d’utiliser un matériau composite révolutionnaire afin de former un dissipateur thermique par injection ou moulage.
Un tel matériau comprend des fibres de graphite dans une matrice composite. On rappelle que le graphite est une forme cristalline particulière du carbone formant un empilement de feuilles, chaque feuille présentant une structure en nid d’abeille totalement en carbone et formant un unique cristal. La conductivité thermique d’un tel cristal est particulièrement bonne dans le plan d’une feuille, de l’ordre de 168W/mK. La conductivité d’une feuille à l’autre est alors dépendante de la conductivité du milieu dans lequel les feuillets sont inclus, ici la matrice composite. La conductivité d’une matrice composite en polyamide est de l’ordre de 0,25W/mK et varie en fonction du degré de polymérisation. A titre de comparaison, la conductivité thermique de l’aluminium est de 250W/mK.
Le matériau présente la particularité que les fibres de graphite sont orientées de sorte à être sensiblement parallèles entre elles et perpendiculaires à la surface à dissiper thermiquement, par exemple la surface du dispositif. Ce faisant, le matériau présente une première conductivité thermique dans les directions comprises dans un plan parallèle au plan des fibres de graphite, et une deuxième conductivité thermique dans la direction perpendiculaire au plan des fibres de graphite. La première conductivité, de l’ordre de 14W/mK, est supérieure à la deuxième conductivité, de l’ordre de 5W/mK.
Un tel matériau est combiné à une forme particulière du dissipateur thermique permettant de maintenir les propriétés d’orientation de la conductivité thermique du matériau.
Le dissipateur thermique selon l’invention se présente sous la forme d’une plaque s’adaptant à la superficie de la carte électronique ou du processeur comprenant les composants générant de la chaleur à dissiper.
La figure 1 illustre une vue en coupe du dissipateur thermique 1 comprenant une première face 2 au contact des composants générant de la chaleur à évacuer et une deuxième face 3 en contact avec le milieu dans lequel dissiper la chaleur générée par les composants.
Dans un mode de réalisation particulier, la deuxième face 3 est munie d’au moins un moyen 4 d’augmentation de la surface d’échange, tel qu’une ailette.
La deuxième face 3 comprend également au moins une surface en forme de dôme 5 correspondant à une première extrémité d’un pion 6 sur la première face 2. La deuxième extrémité du pion 6 est en contact direct ou indirect avec au moins une partie des composants générant de la chaleur à dissiper, éventuellement par l’intermédiaire d’un composé thermique conducteur, de type pâte thermique.
Toujours dans le plan de coupe de la figure 1 , on peut voir que la première extrémité du pion 6 est connectée de part et d’autre à une section latérale de révolution 7 dont les surfaces externes du côté de la deuxième surface 3 sont comprises pour parties dans la surface en forme de dôme 5.
La surface en forme de dôme 5, le pion 6 et la section latérale de révolution 7 correspondante forment un dispositif d’amélioration de la conductivité thermique. Un dissipateur thermique 1 selon l’invention peut comprendre plusieurs dispositifs d’amélioration de la conductivité thermique connectés chacun par l’intermédiaire de leurs sections latérales de révolution 7.
La figure 2 illustre plus en détail un dispositif d’amélioration de la conductivité thermique. On peut y voir que la largeur du pion 6 est égale à l’épaisseur des sections latérales de révolution 7. On peut voir également que les sections latérales présentent un angle de 60° l’une par rapport à l’autre. Enfin, la surface en forme de dôme présente un rayon de courbure de 3. Ce dimensionnement permet de maintenir au mieux, lors du moulage par injection, l’alignement des fibres de graphite dans le matériau de moulage.
On obtient ainsi un dispositif d’amélioration de la conductivité thermique dans lequel la conductivité thermique est la meilleure selon une direction selon l’épaisseur du dissipateur thermique.
La figure 3 illustre une vue plongeante sur une dissipateur thermique selon l’invention, comprenant cinq dispositifs d’amélioration de la conductivité thermique disposés sur une surélévation permettant de disposer les dispositifs d’amélioration de la conductivité thermique au contact des composants électroniques ou processeurs disposés en regard. On peut voir que chaque dispositif d’amélioration de la conductivité thermique comprend un pion 6 entouré par une surface de révolution 7a en forme de puits résultant de la rotation de la surface interne d’une section latérale de révolution 7 autour de l’axe de révolution du pion 6 correspondant.
Le dissipateur thermique est muni par ailleurs d’un épaulement permettant de sceller les composants de la carte électronique sur laquelle est disposé le dissipateur thermique 1. Des moyens de fixations peuvent être prévus pour solidariser le dissipateur thermique 1 à la carte électronique correspondante, par l’intermédiaire de vis et d’alésages correspondants comme illustré sur la figure 3, on par tout autre moyen de fixation démontable.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dissipateur thermique (1 ) comprenant une première face (2) au contact de composants électroniques générant de la chaleur à évacuer et une deuxième face (3) en contact avec le milieu dans lequel dissiper la chaleur générée par les composants électroniques, caractérisé en ce qu’il comprend :
• au moins un dispositif d’amélioration de la conductivité thermique comprenant une surface en forme de dôme (5), un pion (6) et une section latérale de révolution (7) autour du pion (6), la surface en forme de dôme (5) étant connectée à une extrémité d’un pion (6) et à la section latérale de révolution (7),
• la surface en forme de dôme (5) étant disposée du côté de la deuxième face (3), l’extrémité libre du pion (6) étant disposée du côté de la première face (2).
2. Dissipateur thermique selon la revendication 1 , dans lequel le dissipateur thermique est réalisé en un matériau comprenant des fibres de graphite maintenues sensiblement parallèles dans une matrice composite.
3. Dissipateur thermique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la deuxième face (3) est munie d’au moins un moyen (4) d’augmentation de la surface d’échange du dissipateur thermique avec le milieu dans lequel la chaleur générée par les composants électroniques est à dissiper, notamment une ailette.
4. Dissipateur thermique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel deux dispositifs d’amélioration de la conductivité thermique voisins sont connectés par l’intermédiaire de leurs sections latérales de révolution (7).
5. Dissipateur thermique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, dans un dispositif d’amélioration de la conductivité thermique, la largeur du pion (6) est égale à l’épaisseur de la section latérale de révolution (7).
6. Dissipateur thermique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la section latérale de révolution (7) d’un dispositif d’amélioration de la conductivité thermique présente un angle de 30° avec le pion (6) dudit dispositif d’amélioration de la conductivité thermique.
7. Dissipateur thermique selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant des moyens de fixation démontables.
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