WO2024156573A1 - Assemblage de semi-conducteurs et dissipateur de chaleur obtenu par fonderie associe - Google Patents

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WO2024156573A1
WO2024156573A1 PCT/EP2024/051099 EP2024051099W WO2024156573A1 WO 2024156573 A1 WO2024156573 A1 WO 2024156573A1 EP 2024051099 W EP2024051099 W EP 2024051099W WO 2024156573 A1 WO2024156573 A1 WO 2024156573A1
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ejector
electronic device
components
fin
heat sink
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PCT/EP2024/051099
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Jérôme HELIE
Sara Vongher
Valère BRETNACHER
Original Assignee
Vitesco Technologies GmbH
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    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/209—Heat transfer by conduction from internal heat source to heat radiating structure
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Definitions

  • the present disclosure relates to an electronic device and its heat sink obtained by foundry, for example by die casting.
  • the technical field of the present disclosure is the production of devices using semiconductors for the management of power electronic equipment.
  • semiconductors for the proper functioning of the semiconductors and/or other components used in these devices, it is necessary to provide a cooling system to dissipate the heat released in particular at the level of the semiconductors.
  • These semiconductors are for example diodes or transistors, for example of the IGBT or MOSFET type.
  • the present disclosure concerns more particularly but not exclusively embedded applications, for the automobile industry for example.
  • a permanent problem is to produce compact devices, if possible light, without sacrificing performance, quite the contrary.
  • the heat sink comprising a base in thermal contact with the electronic device and from which a large number of fins extend.
  • the latter can be made by extrusion. It then has a profiled shape.
  • foundry processes most often by die casting, to produce heatsinks.
  • the heatsink obtained comprises substantially cylindrical ejectors arranged at the level of fins, each ejector projecting from either side of a fin in the free space between the fins intended for the circulation of the cooling air. These ejectors thus create pressure losses for the flow of cooling air circulating between the fins of the heatsink and generally reduce the performance of the heatsink (compared to a heatsink of similar shape, without ejectors).
  • the cooling of the components in an electronic assembly is usually done by a heat sink arranged like a sole below a support on which the components are mounted.
  • This support is most often a printed electronic circuit board, called Printed Circuit Board PCB.
  • the heat released then passes through the support and thermal bridges, for example vias, are then advantageously provided in the support.
  • Such cooling is called bottom cooling.
  • the present disclosure aims to provide an electronic device with semiconductor type components to be cooled associated with a heatsink obtained by foundry having improved cooling characteristics.
  • the original idea underlying the present disclosure is to make the components to be cooled coincide with the ejectors coming from the foundry in the heat sink. It was found that this original configuration made it possible to improve the efficiency of heat transfer to the heatsink.
  • the present disclosure thus concerns an electronic device comprising, on the one hand, an assembly of semiconductor type components and, on the other hand, a heat sink having cooling fins with at least one ejector.
  • the ejectors have an elongated shape along a longitudinal axis, and at least two semiconductor type components are arranged each time on a longitudinal axis of an ejector.
  • the majority of semiconductor type components be arranged on a longitudinal axis of an ejector; even more preferably, the majority of semiconductor type components are substantially centered on a longitudinal axis of an ejector.
  • the fins are substantially flat and parallel, and two ejectors corresponding to two neighboring fins are offset, that is to say they are not opposite each other with respect to the plane of the fins considered; an advantageous variant here provides that near an ejector, a fin neighboring the associated fin said ejector has an undulation with a concave zone arranged opposite said ejector.
  • a fin neighboring the fin associated with said ejector has an opening facing said ejector over the entire height thereof.
  • the opening of the neighboring fin can be made at the end of the fin, that is to say the fin can be shortened.
  • the semiconductor type components can be mounted on a support, and said components can be located between said support and the heat sink.
  • Other variants are, however, possible.
  • the device may feature bottom cooling, in which the heat flow must pass through the support to reach the heat sink and/or the components to be cooled may be integrated into a module which is then itself mounted on a support.
  • a motor vehicle comprising an electric motor, characterized in that it comprises an electronic device as described above.
  • FIG. 1 is an illustrative diagram of a first assembly of a semiconductor type component with a heat sink; [0019] [Fig. 2] illustrates a second assembly of a semiconductor type component with a heat sink according to the present disclosure;
  • FIG. 3 is a schematic top view of a heat sink that can be implemented in the present disclosure
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of a heatsink of the type illustrated in Figure 3;
  • FIG. 5 is a schematic top view of an alternative embodiment of the heatsinks of Figures 3 and 4.
  • FIG. 6 is a top view example of a heat sink and semiconductor components in a preferred configuration according to the present disclosure.
  • the present description concerns an electronic device called a power device and more particularly such a device intended to be on board a vehicle, automobile or other such as for example a car, a motorcycle, an agricultural tool, etc., said vehicle being equipped with an electric motor to move it: here it may be a so-called “electric” vehicle, that is to say comprising only one or more electric motor(s) to drive it or a hybrid vehicle and then comprising at least one electric motor and an internal combustion engine to drive it.
  • Such an electronic device can be for example (non-exhaustive) a battery management device, a DC-DC converter, an on-board charger, an inverter, etc.
  • FIGS. 1 and 2 are schematic diagrams and, to simplify these figures, only illustrate one component 2. It should be noted that these figures are not at all to scale and the relative sizes of the elements represented are not respected. [0026] In the embodiment of Figure 1, component 2 is cooled “from below”. Indeed, we assume that component 2 is on PCB 4. We note that heatsink 6 is on the opposite side to component 2 in relation to PCB 4 and is therefore located under PCB 4 and thus below component 2. The assembly in Figure 1 corresponds to an assembly with bottom cooling (“bottom cooled” in English).
  • the heatsink 6 is not directly in contact with the part to be cooled (PCB 4 in Figure 1 and component 2 in Figure 2).
  • a thermal interface material 8 is placed between the part to be cooled and the heat sink 6. This material aims to facilitate the transfer of heat to the heat sink by avoiding in particular the presence of air between the part to be cooled and the heatsink 6.
  • This thermal interface material 8 also has a mechanical function and participates in the connection between the component 2 or the PCB 4 with the heatsink 6. It may be an adhesive , a paste or a thermal bonding pad (or other embodiment).
  • the heat sink 6 being most often made of a metal, in particular aluminum or an aluminum-based alloy, it is often necessary to provide electrical insulation between the part to be cooled and the heat sink 6
  • an electrical insulation layer 10 which is made of a material which is both electrical insulating and thermal conductor.
  • the electrical insulation layer 10 can be provided on the heatsink 6 by projection, or spraying, or by chemical attack (or by other processes), or by inserting a ceramic layer.
  • Figures 3 to 6 illustrate a heatsink 6 which can be used in the assemblies illustrated in Figures 1 and 2.
  • Figure 4 relates to an embodiment of such a heatsink 6 and is a perspective view which shows the structure general of a heatsink.
  • the base 12 has a shape adapted to the electronic device with which the heatsink 6 is associated. Most often, to achieve regular heat diffusion, the base has a substantially constant thickness.
  • the base 12 is of parallelepiped shape: it has a rectangular base shape and a constant thickness.
  • the fins 14 extend from the base 12 and form only one piece with it. They are substantially flat and extend perpendicular to the base 12. Conventionally, the fins 14 are parallel and define between them a circulation corridor for a fluid, most often air but possibly a liquid such as water.
  • the ejectors 16 are in a cylindrical or frustoconical shape and are each associated with a fin 14.
  • the ejectors 16 are an outgrowth from a fin 14. They come from the process of obtaining the dissipator 6 when that -this is obtained by a foundry process, including foundry -or die casting-. It is then appropriate to provide in the mold receiving the molten metal a chimney for the evacuation of the gases present in the mold. These chimneys are cylindrical or slightly conical to facilitate their unmolding.
  • the ejectors 16 form an obstacle to the flow of a fluid between the fins 14 and usually limit the cooling capacities of the heatsink.
  • the ejectors 16 have a cylindrical or frustoconical shape. More generally, they have an elongated shape along a longitudinal axis.
  • at least certain components 2 are arranged on a longitudinal axis of an ejector 16.
  • the majority (at least half) of the components 2 are aligned with an ejector 16 (and are therefore crossed by the longitudinal axis of said ejector).
  • all the semiconductor type components 2 are aligned with an ejector 16.
  • the longitudinal axis of the ejector 16 passes substantially in a central zone of the component.
  • Figure 6 is a schematic top view of a device according to the present disclosure on which are represented four components 2 of semiconductor type, and releasing heat in operation, and partially a dissipator 6 with in particular its fins and four ejectors 16 corresponding to said components 2.
  • the four ejectors 16 and the four components 2 overlap (the longitudinal axes of the ejectors are perpendicular to the plane of the figure).
  • contours 2' in dotted lines each illustrate a zone heated by a component 2 at the base of the fins 14 and the ejectors 16. Taking into account the thickness of the base 12, the heat emitted by the component 2 and transmitted by possibly the PCB 4 and the interface material thermal 8 diffuses through the base diffusing in a cone.
  • the present disclosure involves adapting the positioning of the components 2 and/or the shape of the heatsink 6 to improve the cooling of the device and limit the operating temperature of the device.
  • This improvement is achieved during the design of the electronic device by adapting the shape of the dissipator 6 to the layout diagram of the components 2 or, on the contrary, by designing a dissipator 6 adapted to the installation of the components 2 or by co-developing the implantation of the components and the shape of the heatsink to tend towards optimization of the heat dissipation of the electronic device.
  • the ejectors 16 are arranged in a staggered manner.
  • the fins 14 are substantially flat.
  • the two corresponding ejectors 16 are not arranged opposite each other. This means that if we consider a first fin 14, its ejector 16 and a perpendicular to the first fin, the latter does not pass through the ejector of the neighboring fin.
  • This embodiment makes it possible to limit the impact of the intrusion of the ejectors into the fluid circulation corridors between the fins 16.
  • Figure 5 proposes an advantageous alternative embodiment adapted to the present disclosure.
  • This variant promotes the cooling of the ejectors 16. This is favorable in the case of the present disclosure since the components 2 are preferably arranged at the level of the ejectors 16. Better cooling of the ejectors therefore contributes to better overall cooling of the device.
  • the idea here is to remove a fin part facing an ejector 16. Or then a first fin 14 having an ejector 16. An opening is then made in at least one neighboring fin facing -screw of the ejector 16. If, as illustrated in Figure 5, the ejectors 16 are arranged near one end of the fin, this then amounts to shortening the fins whose end is opposite each other. screw of an ejector 16.
  • one fin 14 out of two is shortened at its end and the non-shortened fins have an ejector 16 at their end opposite which the neighboring fins do not extend.
  • This embodiment reduces the exchange surface of the heatsink by reducing the exchange surface of the fins.
  • the removed fin parts are not normally located at a component to be cooled. This solution makes it possible to have overall a greater flow of air (or other fluid) in the heatsink and this is then favorable for the overall cooling of the electronic device to be considered.
  • Figure 6 suggests another embodiment of a heatsink promoting cooling of the device, particularly when components to be cooled (transistors, MOSFETs, IGBT, etc.) are arranged opposite ejectors.
  • ejectors 16 are arranged on flat fins 14 or at least on a flat portion of a fin 14. Facing an ejector 16, a neighboring fin 14 presents then a concave zone 18 (and does not carry an ejector). Thus, in the vicinity of an ejector 16, the neighboring fins present an undulation.
  • the shape of the neighboring fins is advantageously made in such a way that the width of the fluid passageway (air, other gas or liquid) has substantially a constant width, or at least does not have a sudden variation in its width. Variations in the width of the fluid circulation corridor are therefore “gently”.
  • the shapes of the undulations are made such that the minimum width of a fluid circulation corridor does not vary, or as little as possible, between two neighboring corridors. This embodiment significantly limits pressure losses and thus makes it possible to improve the overall cooling of the heatsink.
  • the fins 14 having at least one undulation do not include an ejector. This is due to a simplification of Figure 6 which is a partial view: the fins shown without ejectors may include one or more ejectors outside the area illustrated for illustrative and non-limiting purposes.
  • the present technical solution can be applied in particular in the cooling of electronic devices, and more particularly for on-board devices.
  • the proposed solution makes it possible to take advantage of the presence of ejectors resulting from the manufacturing process of a heat sink, usually considered as an obstacle, to improve the performance of a heat sink. By matching the heating components with the ejectors, the efficiency of heat transfer from the component to the heat sink is improved.
  • the proposed solution concerns electronic devices with a heat sink obtained by a foundry process.
  • the heatsink may be a heatsink made from an aluminum-based alloy and die-cast.
  • the proposed device can be cooled by natural convection, or with blown air or even with a liquid. All commonly used cooling modes can be used with this new device.
  • the devices described above and illustrated in the drawing allow heat dissipation ranging for example from 30 to 50 W/crrr 2 .
  • the electronic device can be for example a power GAN device.

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Abstract

Dispositif électronique comportant, d'une part, un assemblage de composants (2) de type semi-conducteurs et, d'autre part, un dissipateur (6) de chaleur présentant des ailettes (14) de refroidissement avec au moins un éjecteur (16). Les éjecteurs (16) présentent une forme allongée le long d'un axe longitudinal. Au moins deux composants (2) de type semi-conducteurs sont disposés à chaque fois sur un axe longitudinal d'un éjecteur (16).

Description

Assemblage de semi-conducteurs et dissipateur de chaleur obtenu par fonderie associé
Description
[0001] La présente divulgation concerne un dispositif électronique et son dissipateur de chaleur obtenu par fonderie, par exemple par moulage sous pression.
Domaine technique
[0002] Le domaine technique de la présente divulgation est la réalisation de dispositifs mettant en œuvre des semi-conducteurs pour la gestion d’équipements d’électronique de puissance. Pour le bon fonctionnement des semi-conducteurs et/ou autres composants utilisés dans ces dispositifs, il convient de prévoir un système de refroidissement pour dissiper la chaleur dégagée notamment au niveau des semi-conducteurs. Ces semi- conducteurs sont par exemple des diodes ou des transistors par exemple de type IGBT ou MOSFET.
[0003] La présente divulgation concerne plus particulièrement mais pas exclusivement des applications embarquées, pour l’industrie automobile par exemple. Dans ce domaine, une problématique permanente est de réaliser des dispositifs compacts, si possible légers, sans toutefois sacrifier les performances, bien au contraire.
Technique antérieure
[0004] Pour dissiper la chaleur se dégageant d’un dispositif électronique, il est connu d’utiliser un dissipateur comportant une base en contact thermique avec le dispositif électronique et de laquelle s’étendent un grand nombre d’ailettes. Pour des formes relativement simples de dissipateur, ce dernier peut être réalisé par extrusion. Il présente alors une forme profilée. Pour des formes plus complexes, adaptées à la forme du dispositif électronique, il est connu d’utiliser des procédés de fonderie, le plus souvent par moulage sous pression, pour réaliser des dissipateurs. Avec ce procédé de réalisation, le dissipateur obtenu comporte des éjecteurs sensiblement cylindriques disposés au niveau d’ailettes, chaque éjecteur venant en saillie de part et d’autre d’une ailette dans l’espace libre entre les ailettes destiné à la circulation de l’air de refroidissement. Ces éjecteurs créent ainsi des pertes de charge pour le flux d’air de refroidissement circulant entre les ailettes du dissipateur et diminuent globalement les performances du dissipateur (par rapport à un dissipateur de forme similaire, sans éjecteurs).
[0005] Le refroidissement des composants dans un montage électronique se fait habituellement par un dissipateur de chaleur disposé comme une semelle en dessous d’un support sur lequel sont montés les composants. Ce support est le plus souvent une carte de circuit électronique imprimée, appelée en anglais Printed Circuit Board PCB. La chaleur dégagée traverse alors le support et des ponts thermiques, par exemple des vias, sont alors avantageusement prévus dans le support. Un tel refroidissement est appelé refroidissement par le bas (ou « bottom cooled » en anglais). Il est aussi connu de réaliser le refroidissement des composants dans un montage électronique par le côté supérieur du dispositif, c’est-à- dire du côté opposé au support sur lequel sont montés les composants. Dans cette configuration, les composants se retrouvent entre leur support et un dissipateur de chaleur. Cette configuration permet d’éviter à transférer la chaleur à dissiper au travers du support.
[0006] La présente divulgation a pour but de fournir un dispositif électronique avec des composants de type semi-conducteurs à refroidir associé à un dissipateur obtenu par fonderie présentant des caractéristiques de refroidissement améliorées.
Résumé
[0007] L’idée originale à la base de la présente divulgation est de venir faire coïncider les composants à refroidir avec les éjecteurs venant de fonderie dans le dissipateur de chaleur. Il a été constaté que cette configuration originale permettait d’améliorer l’efficacité du transfert de chaleur vers le dissipateur.
[0008] La présente divulgation concerne ainsi un dispositif électronique comportant, d'une part, un assemblage de composants de type semi-conducteurs et, d'autre part, un dissipateur de chaleur présentant des ailettes de refroidissement avec au moins un éjecteur.
[0009] Selon la présente divulgation, les éjecteurs présentent une forme allongée le long d’un axe longitudinal, et au moins deux composants de type semi-conducteurs sont disposés à chaque fois sur un axe longitudinal d’un éjecteur.
[0010] Dans un dispositif tel que présenté ci-dessus, les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en œuvre, indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
[0011] Dans un tel dispositif électronique, on préfère que la majorité des composants de type semi-conducteurs soient disposés sur un axe longitudinal d’un éjecteur ; de manière encore préférée, la majorité des composants de type semi-conducteurs sont sensiblement centrés sur un axe longitudinal d’un éjecteur.
[0012] Selon une première forme de réalisation, les ailettes sont sensiblement planes et parallèles, et deux éjecteurs correspondant à deux ailettes voisines sont décalés, c’est-à- dire ne sont pas en vis-à-vis par rapport au plan des ailettes considérées ; une variante avantageuse prévoit ici qu’à proximité d’un éjecteur, une ailette voisine de l’ailette associée audit éjecteur présente une ondulation avec une zone concave disposée en vis-à-vis dudit éjecteur.
[0013] Selon une deuxième forme de réalisation, il est prévu qu’à proximité d’un éjecteur, une ailette voisine de l’ailette associée audit éjecteur présente une ouverture en vis-à vis dudit éjecteur sur toute la hauteur de celui-ci. Selon une variante, l’ouverture de l’ailette voisine peut être réalisée en extrémité d’ailette, c’est-à-dire que l’ailette peut être raccourcie.
[0014] Dans un dispositif électronique tel que décrit ci-dessus, les composants de type semi-conducteurs peuvent être montés sur un support, et lesdits composants peuvent se trouver entre ledit support et le dissipateur de chaleur. D’autres variantes sont toutefois envisageables. Le dispositif peut présenter un refroidissement par le bas, dans lequel le flux de chaleur doit traverser le support pour arriver au dissipateur de chaleur et/ou les composants à refroidir peuvent être intégrés dans un module qui est ensuite lui-même monté sur un support.
[0015] Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de réalisation d’un dispositif électronique comportant les étapes suivantes :
- fourniture, d'une part, d’un assemblage de composants de type semi-conducteurs et, d'autre part, d’un dissipateur de chaleur présentant des ailettes de refroidissement avec au moins un éjecteur présentant une forme allongée le long d’un axe longitudinal, caractérisé en ce que les composants de type semi-conducteurs sont assemblés de telle sorte qu’au moins deux composants de type semi-conducteurs sont disposés à chaque fois sur un axe longitudinal d’un éjecteur et/ou le dissipateur de chaleur est conformé de telle sorte qu’au moins deux axes longitudinaux d’éjecteurs passent par un composant de type semi-conducteur.
[0016] Selon un autre aspect, il est proposé un véhicule automobile comportant un moteur électrique, caractérisé en ce qu’il comporte un dispositif électronique tel que décrit ci- dessus.
Brève description du dessin
[0017] D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse du dessin annexé, sur lequel :
Fig. 1
[0018] [Fig. 1] est un schéma illustratif d’un premier montage d’un composant de type semi- conducteur avec un dissipateur de chaleur ; [0019] [Fig. 2] illustre un deuxième montage d’un composant de type semi-conducteur avec un dissipateur de chaleur selon la présente divulgation ;
Fig. 3
[0020] [Fig. 3] est une vue schématique en vue de dessus d’un dissipateur de chaleur pouvant être mis en œuvre dans la présente divulgation ;
Fig. 4
[0021] [Fig. 4] est une vue schématique en perspective d’un dissipateur du type de celui illustré sur la figure 3 ;
Fig. 5
[0022] [Fig. 5] est une vue schématique de dessus d’une variante de réalisation des dissipateurs des figures 3 et 4.
Fig. 6
[0023] [Fig. 6] est un exemple en vue de dessus d’un dissipateur de chaleur et de composants de type semi-conducteurs dans une configuration préférée selon la présente divulgation.
Description des modes de réalisation
[0024] La présente description concerne un dispositif électronique dit dispositif de puissance et plus particulièrement un tel dispositif destiné à être embarqué à bord d’un véhicule, automobile ou autre comme par exemple une voiture, une moto, un outil agricole, etc., ledit véhicule étant muni d’un moteur électrique pour le mouvoir : il peut ici s’agir d’un véhicule dit « électrique », c’est-à-dire ne comportant qu’un ou plusieurs moteur(s) électrique(s) pour l’entrainer ou bien d’un véhicule hybride et comportant alors au moins un moteur électrique et un moteur à combustion interne pour l’entrainer. Un tel dispositif électronique peut être par exemple (non exhaustif) un dispositif de gestion de batterie, un convertisseur DC-DC, un chargeur embarqué, un onduleur, etc.
[0025] Pour réaliser un tel dispositif électrique, des composants 2 électroniques de type semi-conducteurs (diode, transistor, IGBT, MOSFET, etc.) sont montés sur un support appelé par la suite PCB et référencé 4 sur les figures. Un dissipateur 6 de chaleur est prévu pour le refroidissement du composant 2 lorsqu’il fonctionne. Les figures 1 et 2 sont des schémas de principe et, pour simplifier ces figures, n’illustrent qu’un seul composant 2. Il est à remarquer que ces figures ne sont pas du tout à l’échelle et les tailles relatives des éléments représentés ne sont pas respectées. [0026] Dans la forme de réalisation de la figure 1 , le composant 2 est refroidi « par le bas ». En effet, on suppose que le composant 2 est sur le PCB 4. On remarque que le dissipateur 6 est du côté opposé au composant 2 par rapport au PCB 4 et se trouve donc sous le PCB 4 et ainsi en dessous du composant 2. Le montage de la figure 1 correspond à un montage avec refroidissement par le bas (« bottom cooled » en anglais).
[0027] Dans la forme de réalisation de la figure 2, en considérant la même orientation donnée par la position relative du composant 2 par rapport au PCB 4, c’est-à-dire que le composant 2 est au-dessus du PCB 4, on remarque que le dissipateur 6 se trouve au- dessus du composant 2 (malgré l’orientation de la figure). Le montage de la figure 2 correspond à un montage avec refroidissement par le haut (« top cooled » en anglais).
[0028] Dans ces deux types de montage, le dissipateur 6 n’est pas directement au contact de la pièce à refroidir (le PCB 4 sur la figure 1 et le composant 2 sur la figure 2). Dans les deux formes de réalisation illustrées, un matériau d’interface thermique 8 est disposé entre la pièce à refroidir et le dissipateur 6. Ce matériau a pour but de faciliter le transfert de chaleur vers le dissipateur de chaleur en évitant notamment la présence d’air entre la pièce à refroidir et le dissipateur 6. Ce matériau d’interface thermique 8 a également une fonction mécanique et participe à la liaison entre le composant 2 ou le PCB 4 avec le dissipateur 6. Il peut s’agir d’une colle, d’une pâte ou bien d’un coussinet de liaison thermique (ou autre forme de réalisation).
[0029] En outre, le dissipateur 6 étant réalisé le plus souvent dans un métal, notamment de l’aluminium ou un alliage à base d’aluminium, il est souvent nécessaire de réaliser une isolation électrique entre la pièce à refroidir et le dissipateur 6. Sur les montages des figures 1 et 2, on a ainsi prévu une couche d’isolation électrique 10 qui est réalisée dans un matériau qui soit à la fois isolant électrique et conducteur thermique. La couche d’isolation électrique 10 peut être apportée sur le dissipateur 6 par projection, ou pulvérisation, ou par attaque chimique (ou par d’autres procédés), ou par un insert d’une couche céramique.
[0030] Les figures 3 à 6 illustrent un dissipateur 6 pouvant être utilisé dans les montages illustrés sur les figures 1 et 2. La figure 4 concerne une forme de réalisation d’un tel dissipateur 6 et est une vue en perspective qui montre la structure générale d’un dissipateur. On reconnaît sur la figure 4 une base 12 de laquelle s’étendent des ailettes 14 et des éjecteurs 16.
[0031] La base 12 présente une forme adaptée au dispositif électronique auquel le dissipateur 6 est associé. Le plus souvent, pour réaliser une diffusion régulière de la chaleur, la base présente une épaisseur sensiblement constante. Dans la forme de réalisation de la figure 4, la base 12 est de forme parallélépipédique : elle présente une forme de base rectangulaire et une épaisseur constante.
[0032] Les ailettes 14 s’étendent à partir de la base 12 et ne forment qu’une seule pièce avec celle-ci. Elles sont sensiblement planes et s’étendent perpendiculairement à la base 12. De manière classique, les ailettes 14 sont parallèles et définissent entre elles un couloir de circulation pour un fluide, le plus souvent de l’air mais éventuellement un liquide tel de l’eau.
[0033] Les éjecteurs 16 se présentent sous une forme cylindrique ou tronconique et sont chacun associés à une ailette 14. Les éjecteurs 16 sont une excroissance à partir d’une ailette 14. Ils sont issus du procédé d’obtention du dissipateur 6 lorsque celui-ci est obtenu par un procédé de fonderie, y compris fonderie -ou moulage- sous pression. Il convient alors de prévoir dans le moule recevant le métal en fusion une cheminée pour l’évacuation des gaz présents dans le moule. Ces cheminées sont cylindriques ou légèrement coniques pour faciliter leur démoulage. Comme il ressort des figures 3 à 6, les éjecteurs 16 forment un obstacle à l’écoulement d’un fluide entre les ailettes 14 et limitent habituellement les capacités de refroidissement du dissipateur.
[0034] Comme illustré sur les figures 2 et 6, il est proposé dans la présente divulgation de faire coïncider au moins certains éjecteurs 16 avec au moins certains composants 2 qui émettent de la chaleur. Comme indiqué, les éjecteurs 16 ont une forme cylindrique ou tronconique. De manière plus générale, ils présentent une forme allongée le long d’un axe longitudinal. Avantageusement, il est prévu qu’au moins certains composants 2 sont disposés sur un axe longitudinal d’un éjecteur 16. Avantageusement, pour un meilleur refroidissement, la majorité (au moins la moitié) des composants 2 sont alignés avec un éjecteur 16 (et sont donc traversés par l’axe longitudinal dudit éjecteur). De préférence, tous les composants 2 de type semi-conducteurs (transistors, diodes, etc.) sont alignés avec un éjecteur 16. Pour améliorer le refroidissement du dispositif, il est préférable que lorsqu’un composant 2 est aligné avec un éjecteur, l’axe longitudinal de l’éjecteur 16 passe sensiblement dans une zone centrale du composant.
[0035] La figure 6 est une vue schématique en vue de dessus d’un dispositif selon la présente divulgation sur laquelle sont représentés quatre composants 2 de type semi- conducteurs, et dégageant de la chaleur en fonctionnement, et partiellement un dissipateur 6 avec notamment ses ailettes et quatre éjecteurs 16 correspondant auxdits composants 2. Comme énoncé plus haut, on remarque que les quatre éjecteurs 16 et les quatre composants 2 se superposent (les axes longitudinaux des éjecteurs sont perpendiculaires au plan de la figure). Sur la figure 6, des contours 2’ en traits pointillés illustrent chacun une zone chauffée par un composant 2 au niveau de la base des ailettes 14 et des éjecteurs 16. Compte tenu de l’épaisseur de la base 12, la chaleur émise par le composant 2 et transmise par éventuellement le PCB 4 et le matériau d’interface thermique 8 se diffuse à travers la base en diffusant en cône.
[0036] Dans la présente divulgation, il s’agit d’adapter le positionnement des composants 2 et/ou la forme du dissipateur 6 pour améliorer le refroidissement du dispositif et limiter la température de fonctionnement du dispositif. Pour cette amélioration, on prévoit un alignement, ou de préférence un centrage, des composants 2 avec les éjecteurs 16. On prévoit aussi avantageusement que les contours 2’ ne s’intersectent pas. Cette amélioration est réalisée lors de la conception du dispositif électronique en adaptant la forme du dissipateur 6 au schéma d’implantation des composants 2 ou au contraire en dessinant un dissipateur 6 adapté à l’implantation des composants 2 ou bien en faisant un codéveloppement de l’implantation des composants et de la forme du dissipateur pour tendre vers une optimisation de la dissipation de chaleur du dispositif électronique.
[0037] Pour la conception du dissipateur 6, plusieurs caractéristiques avantageuses concernant les ailettes et/ou les éjecteurs peuvent être mises en œuvre en vue d’une amélioration du refroidissement du dispositif électronique.
[0038] Sur les figures 3 et 4, les éjecteurs 16 sont disposés en quinconce. Sur ces figures, les ailettes 14 sont sensiblement planes. En considérant deux ailettes 14 voisines, les deux éjecteurs 16 correspondant ne sont pas disposés en vis-à-vis l’un de l’autre. Cela signifie que si l’on considère une première ailette 14, son éjecteur 16 et une perpendiculaire à la première ailette, cette dernière ne passe pas par l’éjecteur de l’ailette voisine. Cette forme de réalisation permet de limiter l’impact de l’intrusion des éjecteurs dans les couloirs de circulation de fluide entre les ailettes 16.
[0039] La figure 5 propose une variante de réalisation avantageuse adaptée à la présente divulgation. Cette variante favorise le refroidissement des éjecteurs 16. Ceci est favorable dans le cas de la présente divulgation puisque les composants 2 sont disposés de préférence au niveau d’éjecteurs 16. Un meilleur refroidissement des éjecteurs participe donc à un meilleur refroidissement global du dispositif. L’idée ici est de supprimer une partie d’ailette en vis-à-vis d’un éjecteur 16. Soit alors une première ailette 14 présentant un éjecteur 16. Une ouverture est alors réalisée dans au moins une ailette voisine en vis-à-vis de l’éjecteur 16. Si, comme illustré sur la figure 5, les éjecteurs 16 sont disposés à proximité d’une extrémité d’ailette, cela revient alors à raccourcir les ailettes dont l’extrémité se trouve en vis-à-vis d’un éjecteur 16. Dans l’exemple illustré, une ailette 14 sur deux est raccourcie à son extrémité et les ailettes non raccourcies présentent à leur extrémité un éjecteur 16 en vis-à-vis duquel les ailettes voisines ne s’étendent pas. Cette forme de réalisation diminue la surface d’échange du dissipateur en réduisant la surface d’échange des ailettes. Toutefois, les parties d’ailettes supprimées ne se trouvent pas normalement au niveau d’un composant à refroidir. Cette solution permet d’avoir globalement un débit d’air (ou autre fluide) plus important dans le dissipateur et ceci est alors favorable pour le refroidissement global du dispositif électronique à considérer.
[0040] La figure 6 propose une autre forme de réalisation d’un dissipateur favorisant le refroidissement du dispositif, notamment lorsque des composants à refroidir (transistors, MOSFET, IGBT, etc.) sont disposés en face d’éjecteurs.
[0041] Sur cette figure 6, des éjecteurs 16 sont disposés sur des ailettes 14 planes ou pour tout le moins sur une portion plane d’une ailette 14. En vis-à-vis d’un éjecteur 16, une ailette 14 voisine présente alors une zone concave 18 (et ne porte pas d’éjecteur). Ainsi, au voisinage d’un éjecteur 16, les ailettes voisines présentent une ondulation. La forme des ailettes voisines est avantageusement réalisée de telle sorte que la largeur du couloir de passage de fluide (air, autre gaz ou liquide) présente sensiblement une largeur constante, ou tout du moins ne présente pas de variation brusque de sa largeur. Les variations de largeur de couloir de circulation de fluide se fait donc « en douceur ». En outre, les formes des ondulations sont réalisées de telle sorte que la largeur minimale d’un couloir de circulation de fluide ne varie pas, ou le moins possible, entre deux couloirs voisins. Cette forme de réalisation limite sensiblement les pertes de charge et permet ainsi d’améliorer le refroidissement global du dissipateur.
[0042] Sur la figure 6, les ailettes 14 présentant au moins une ondulation ne comporte pas d’éjecteur. Ceci est dû à une simplification de la figure 6 qui est une vue partielle : les ailettes représentées sans éjecteurs peuvent comporter un ou plusieurs éjecteurs en dehors de la zone illustrée à titre illustratif et non limitatif.
Application industrielle
[0043] La présente solution technique peut trouver à s’appliquer notamment dans le refroidissement de dispositifs électroniques, et plus particulièrement pour des dispositifs embarqués.
[0044] La solution proposée permet de mettre à profit la présence des éjecteurs issus du procédé de fabrication d’un dissipateur de chaleur, habituellement considérés comme un obstacle, pour améliorer les performances d’un dissipateur. En faisant coïncider les composants chauffants avec les éjecteurs, l’efficacité du transfert de chaleur du composant vers le dissipateur de chaleur est améliorée. [0045] La solution proposée concerne des dispositifs électroniques avec un dissipateur de chaleur obtenu par un procédé de fonderie. À titre d’exemple non limitatif, le dissipateur peut être un dissipateur réalisé dans un alliage à base d’aluminium et moulé sous pression.
[0046] Le dispositif proposé peut être refroidi par convection naturelle, ou bien avec de l’air soufflé ou bien encore avec un liquide. Tous les modes de refroidissement habituellement utilisés peuvent être utilisés avec ce nouveau dispositif.
[0047] À titre illustratif et non limitatif, les dispositifs décrits ci-dessus et illustrés sur le dessin permettent une dissipation thermique allant par exemple de 30 à 50 W/crrr2. Pour obtenir une telle dissipation de chaleur, il est préférable d’utiliser un refroidissement par le haut comme illustré sur la figure 2. Ainsi, le dispositif électronique peut être par exemple un dispositif GAN de puissance.
[0048] Des mesures réalisées ont montré qu’en disposant un transistor dans l’alignement d’un éjecteur, la montée de la température de jonction du transistor pouvait être diminuée de 7% pour de grands semi-conducteurs, c’est-à-dire des semi-conducteurs dont la longueur caractéristique est plus grande qu’un demi-inter espace entre ailettes. Pour des semi-conducteurs plus petits, une diminution d’au moins 3% peut être obtenue.
[0049] La présente divulgation ne se limite pas aux exemples de réalisation proposés et aux variantes évoquées décrits ci-avant, seulement à titre d’exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l’homme de l’art dans le cadre de la protection recherchée.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Dispositif électronique comportant, d'une part, un assemblage de composants (2) de type semi-conducteurs et, d'autre part, un dissipateur (6) de chaleur présentant des ailettes (14) de refroidissement avec au moins un éjecteur (16), caractérisé en ce que les éjecteurs (16) présentent une forme allongée le long d’un axe longitudinal, et en ce qu’au moins deux composants (2) de type semi-conducteurs sont disposés à chaque fois sur un axe longitudinal d’un éjecteur (16).
[Revendication 2] Dispositif électronique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la majorité des composants (2) de type semi-conducteurs sont disposés sur un axe longitudinal d’un éjecteur (16).
[Revendication 3] Dispositif électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la majorité des composants (2) de type semi-conducteurs sont sensiblement centrés sur un axe longitudinal d’un éjecteur (18).
[Revendication 4] Dispositif électronique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les ailettes (14) sont sensiblement planes et parallèles, et en ce que deux éjecteurs (16) correspondant à deux ailettes (14) voisines sont décalés, c’est-à-dire ne sont pas en vis-à-vis par rapport au plan des ailettes (14) considérées.
[Revendication 5] Dispositif électronique selon la revendication 4, caractérisé en ce qu’à proximité d’un éjecteur (16), une ailette (14) voisine de l’ailette associée audit éjecteur (16) présente une ondulation avec une zone concave (18) disposée en vis-à-vis dudit éjecteur (16).
[Revendication 6] Dispositif électronique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’à proximité d’un éjecteur (16), une ailette (14) voisine de l’ailette associée audit éjecteur (16) présente une ouverture en vis-à vis dudit éjecteur (16) sur toute la hauteur de celui-ci.
[Revendication 7] Dispositif électronique selon la revendication 6, caractérisé en ce que l’ouverture de l’ailette (14) voisine est réalisée en extrémité d’ailette, c’est-à-dire que l’ailette (14) est raccourcie.
[Revendication 8] Dispositif électronique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les composants (2) de type semi-conducteurs sont montés sur un support (4), et en ce que lesdits composants se trouvent entre ledit support (4) et le dissipateur (6) de chaleur.
[Revendication 9] Procédé de réalisation d’un dispositif électronique comportant les étapes suivantes :
- fourniture, d'une part, d’un assemblage de composants (2) de type semi-conducteurs et, d'autre part, d’un dissipateur (6) de chaleur présentant des ailettes (14) de refroidissement avec au moins un éjecteur (16) présentant une forme allongée le long d’un axe longitudinal, caractérisé en ce que les composants (2) de type semi-conducteurs sont assemblés de telle sorte qu’au moins deux composants (2) de type semi-conducteurs sont disposés à chaque fois sur un axe longitudinal d’un éjecteur (16) et/ou le dissipateur (6) de chaleur est conformé de telle sorte qu’au moins deux axes longitudinaux d’éjecteurs passent par un composant (2) de type semi-conducteur.
[Revendication 10] Véhicule automobile comportant un moteur électrique, caractérisé en ce qu’il comporte un dispositif électronique selon l'une des revendications 1 à 8.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH08300132A (ja) * 1995-03-06 1996-11-19 Toyota Motor Corp 鋳造方法及び鋳造装置
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