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WO93/13556 2 1 2 3 1 2 Q PCT/FR92/01228
Syst~m~ de refroidissement pour module "multi-puces"
~a présente invention concerne un système de refroidissement
pour module "multi-puces" comprenant un substrat sur lequel
est agencée une pluralité de circuits électroniques
sensiblement plats, associé au substrat un capot
partiellement plat thermiquement conducteur coopérant avec
une pluralité de moyens d'échange de chaleur, chacun en
relation d'un coté a~ec un circuit et de l'autre avec le
capot pour transférer la chaleur du circuit vers le capot.
Un tel système de refroidissement est connu de la demande de
brevet européenne EP-369 115. Dans cette demande,. il est
décrit un système comprenant entre autres un substrat
portant des circuits électroniques formant avec un capot ou
chapeau une enceinte hermétique. Dans cette enceinte sont
disposés vis-à-~is de chaque circuit des moyens d'échange de
chaleur. En effet, chaque circuit électronique dissipe une
certaine quantité de chaleur dont une partie au.moins doit
~tre nécessairement ~vacuée afin d'autoriser un
fonctionnement nominal. Ainsi, un moyen d'échange de chaleur
pour le transfert de ladite chaleur d'un circuit vers le
capot est dans le cas présent constitué d'un piston
cylindrique en métal dont le corps est logé dans une cavité
située dans l'épaisseur du capot. Un ressort disposé dans la
cavité supérieure du pis~on permet de maintenir en pression
l'extrémité inférieure de ce dernier sur le circuit. Le
transfert de chaleur du circuit vers le piston sera d'autant
plus efficace que la surface du piston en contact avec le
circuit sera grande, l'idéal étant que l'extrémité
inférieure du piston soit comprise dans un plan parallèle au
plan du circuit électronique. L'axe de la cavité contenant
le piston est par construction perpendiculaire au plan du
substrat et donc idéalement au plan du circuit, dans ce cas
l'intégralité de l'extrémité inférieure du piston est en
contact avec le circuit. Cependant, de manière générale, sur
la quantité de circuits montés sur le substrat un nombre non
négligeable d'entre eux présente une inclinaison par
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rapportau plan dudit substrat, dans ce cas seule une partie
de l'extr~mité inf~rieure du piston est en contact avec le
circuit et le transfert de chaleur n'est alors plus optimal.
Pour tenter de remédier ~ cet inconvénient, compte tenu de
S la rigidité mécanique des pistons, il est pré w alors dans
le demande pr~citée de donner une forme tronconique au
piston et d'augmenter le diamètre de la cavité dans laquelle
est logé ledit piston pour permettre à ce dernier de prendre
l'inclinaison nécessaire à l'alignement de son extrémité
inf~rieure avec le plan du circuit et imposer ainsi un
contact intégral.
Une telle solution comporte néanmoins de sérieux
inconvénients. En effet, pour que l'échange de chaleur se
faQse de mani~re efficace, une autre exigence doit être
satisfaite : la résistance thermique giobale doit être de
~aleur aussi réduite que possible. Or dans le cas présent,
si la résistance thermique au voisinage du circuit et de la
partie inférieure du piston est faible (la surface de
contact étant maximale, ceci implique une lame d'air entre
ces d~ux parties de faible épaisseur), la résistance
thermique au voisinage des contacts entre le piston et la
ca~ité est elle par contre de valeur élevée et ce sur la
majeure partie du domaine de variation de l'inclinaison du
circuit. Ainsi, lorsque l'angle d'inclinaison du circuit est
nul ou de faible valeur, aucun contact n'existe entre le
piston et la cavité, la résistance thermique est par
conséquent élevée car la lame d'air entourant le piston dans
la cavité a une épaisseur non négligeable et ceci d'autant
plus que le diamètre de la cavité a été augmenté. A partir
d'une certaine valeur d'angle d'inclinaison, il y a contact
entre piston et cavité mais ce contact est quasi-ponctuel et
la valeur de la résistance thermique même réduite n'est
toujours pas négligeable. Enfin, la valeur de la résistance
thermique est minimale mais encore significative pour un
contact quasi linéaire du piston -avec la cavité, c'est-à-
dire pour une valeur d'angle d'inclinaison égale ou voisine
piston.
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Le but de la présente invention est de proposer un système
de refroidissement pour modules "multi-puces" de préférence
de dissipation moyenne, qui soit simple, efficace, non
hermétique et qui ne présente pas les inconvénients des
syst~mes connus.
Pour cela, le système de refroidissement du genre mentionn~
dans le préambule utilise comme moyen d'échange de chaleur
un dispositif métallique flexible à faible résistance
thermique et est remarquable en ce que les surfaces du
dispositif métallique flexible en contact aux deux
extrémités, sous une pression déterminée, avec le circuit
d'une part et le capot d'autre part sont planes et ont un
état de surface de planéité et de rugosité tel qu'il permet
le contrôle des deux lames d'air entre d'une part le circuit
et la première des deux extrémités et d'autre part,
lorsqu'elle existe, entre le capot et la seconde des deux
extrémités, le dispositif métallique flexible ~ faible
résistance thermique compensant les différences d'altitude
et d'angles entre le substrat et les différents circuits et
minimisant les résistances thermiques au voisinage desdites
lames d'air, alors que les dilatations différentielles sont
automatiquement compensées par le mouvement de glissement
par rapport au circuit.
Ainsi le dispositif choisi comme moyen d'échange de chaleur,
autorise, de par sa flexibilité, une déformation aisée
assurant une application intégrale et systématique de ses
surfaces de contact avec les surfaces du circuit d'une part
et du capot d'autre part. Ces surfaces de contact sont
planes et usinées ou traitées de sorte à contrôler
efficacement les lames d'air existant au niveau des contacts
et obtenir des résistances thermiques de très faible valeur.
La faible résistance thermique du dispositif lui-même
entr~ne une résistance thermique globale également de
faible valeur et donc un transfert efficace de la chaleur.
L'élasticité des divers dispositifs garantit avantageusement
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d'une part une bonne application de ceux-ci sur les circuits
sous une pression relativement faible imposée par le capot
lorq de -qon association avec le substrat et d'autre part une
compensation des dilatations différentielles entre le
substrat et le capot. Un bon rendement est ainsi obtenu qui
autorise une utilisation du système a~ec des modules "multi-
puces" de dissipation moyenne sans pr~sence interne d'un
fluide au niveau des "puces" et donc sans qu'il soit
nécessaire d'imposer une fermeture hermétique. Le rendement
peut en outre être amélioré en utilisant des graisses au
niveau des contacts avec les circuits et/ou en prévoyant des
moyens d'extraction de la chaleur au niveau du capot par
exemple une circulation de fluide à la surface supérieure de
celui-ci.
Selon une application préférée, le dispositif métallique
flexible à faible résistance thermique est un caloduc à
soufflet dont l'é~aporateur, une plaque m~tallique, est la
partie en contact avec le circuit, le condenseur, une autre
plaque métallique, la partie en contact avec le capot et le
corps reliant l'~aporateur au condenseur forme un soufflet
métallique, l'ensemble contenant un fluide caloporteur.
De cette manière, le choix d'utilisation d'un caloduc ou
2S tube de chaleur qui est un dispositif st tique de
conductibilité thermique très élevée et donc de résistance
thermique tres faible autorise un transfert efficace de la
chaleur d'un circuit vers le capot. Le choix de
l'utilisation d'un caloduc entraîne de plus un important
a~antage. En effet, avec ce type de dispositif plus la
puissance dissipée et donc l'énergie à transférer augmente
et plus la résistance thermique globale diminue, et ceci de
manière non-linéaire, alors qu'en outre la résistance
thermique diminue lorsque la température du condenseur
augmente (dans des limites raisonnables bien entendu, c'est-
à-dire interdisant l'assèchement du caloduc). Egalement, le
corps formant soufflet donne à ce dispositif la flexibilité
désirée, 50US une pression déterminée, autorisant la
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s
déformation nécessaire pour compenser les différences
d'altitude ou d'inclinaison. En outre la plasticité due au
choix du matériau choisi pour le soufflet, par exemple un
alliage de cuivre, permet de'limiter la force d'appui et
donc la pression du caloduc sur le circuit.
Dans une forme de réalisation préférée, chaque caloduc à
soufflet est fixé par son condenseur au capot, l'ensemble
étant associé au substrat sous une pression déterminée par
l'intermédiaire de moyens de fixation. ~insi à chaque
circuit correspond une position d'un caloduc à soufflet qui
~-iendra de manière naturelle et sans réglage se pr~senter et
s'appliquer sur le circuit associé. La flexibilité du
caloduc contrairement aux systèmes rigides de l'art
ant~rieur, entraine nécessairement lors de l'application un
contact planaire de bonne qualit~ qui favorise la diminuti~n
de la résistance thermique, alors que les diverses
dilatations sont automatiquement compensées par le mouvement
de glissement de l'~vaporateur par rapport au circuit,
mouvement de faible amplitude permis du fait de la libert~
laissée entre caloduc e~ circuit. La pression que ie caloduc
doit exercer sur le circuit, qui comme cela a été w
préc~demment est de valeur limit~e du fait de la plasticité
~ du matériau du soufflet, est déterminée par les moyens de
fixation du capot sur le substrat. Ainsi une force d'appui
par exemple d'environ 300 à 400 g est généralement
suffisante, celle-ci peut être aisément obtenue lors de la
fermeture du capot sur le substrat au moyen de vis. En outre
comme aucune fixation n'est prévue entre un caloduc et son
circuit associé, il s'ensuit qu'aucune dégradation du
circuit n'est entraînée, comme cela est souvent le cas dans
les systèmes de l'art antérieur, les circuits étant, lors du
démontage du capot, retrouvés dans leur état mécanique
initial.
Selon une caractéristique additionnelle du système de
refroidissement selon l'in~ention, chaque caloduc à soufflet
comporte également, située le long de son évaporateur, une
mèche autorisant une utilisation dans le sens horizontal.
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Cette m~che est de préférence constitu~e d'un grillage
métallique ~ maille fine qui permettra ainsi par capillarité
de faire remonter le fluide caloporteur lorsque le syst~me
de refroidissement est utilisé avec les caloducs en position
horizontale.
La description suivante en regard des dessins annexés, le
tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment
l'invention peut etre réalisée.
La fiaure 1 représente de manière schématique une coupe d'un
système de refroidissement pour module "multi-puces" selon
l'invention. r
La fiaure 2 montre en coupe un ~xemple de dispositif
métallique flexible à faible résistance thermique utilisable
dans le système de refroidissement selon l'invention.
La fiaure 3 présente en coupe un autre exemple de dispositif
métallique flexible à faible résistance thermique utilisable
dans le système de refroidissement selon l'invention.
Sur la figure 1 est proposée une coupe d'un système de
~ refroidissement pour module "multi-puces" comprenant un
substrat 1 sur lequel est agencée une pluxalité de circuits
électroniques 2a, 2bl 2c, ..., sensiblement plats. Un capot
partiellement plat 3 thermiquement conducteur est associé au
substrat 1 par l'intermédiaire de moyens de fixation 4, par
exemple des vis. Le capot 3 coop~re avec une pluralité de
moyens d'échange de chaleur 5a, 5b, 5c, ..., chacun en
relation d'un côté respectivement avec un circuit 2a, 2b,
2c, ..., et de l'autre avec le capot 3 pour transférer la
chaleur du circuit associé vers le capot.
Le moyen d'échange de chaleur Sa, 5b, 5c, ..., est un
dispositif métallique flexible à faible résistance
thermique. Selon une application préférée, ce dispositif est
un caloduc à soufflet plus précisément décrit avec la figure
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2. Conformément à l'id~e de l'invention, les surfaces aux
deux extr~mités du dispositif 5a, 5b, Sc, ..., en contact
d'une part avec respectivement le circuit 2a, 2b, 2c, ....
et d'autre part avec le capot 3 sont planes et sont usinées
ou traitées de mani~re à presenter un état de surface de
planéit~ et de rugosité tel qu'il permet le contrôle des
deux lames d'air entre, d'une part le circuit 2a, 2b, 2c,
..., et la première des deux extrémités et, d'autre part,
lorsqu'elle existe, entre le capot 3 et la seconde des deux
extr~mités, le dispositif métallique flexible à faible
résistance thermique compensant les différences d'altitude
et d'angles entre le substrat 1 et les différents circuits
2a, 2b, 2c, ..., et minimisant les résistances thermiques au
voisinage desdites lames d'air, alors que les dilatations
différen~ielles sont automatiquement compensées par le
mouvement ~e glissement par rapport au circuit. Ainsi ces
surfaces pl~nes sont en contact intime minimisant la lame
d'air et par là la résistance thermique. L'état de surface
des dis~ositif~ est prévu pour être harmonisé avec celui des
circuits dont la planéité/rugosité est connue de leur
~p~ci~ication permettant de la sorte le contrôle du volume
d'air entre les surfaces de contact. En outre, ce volume
d'air peut être encore minimisé par adjonction de graisse
thermique au niveau des contacts. La force d'appui du capot
3 sur les dispositifs 5a, 5b, 5c, ..., permet de maintenir
une pression suffisante pour assurer la force de contact
m~nimale nécessaire autorisant la déformation du corps
flexible des dispositifs 5a, 5b, Sc, ..., et ainsi la
compensation des inclinaisons. Cette force d'appui est
déterminée par les moyens de fixation 4 du capot 3 sur le
substrat 1, son intensité de l'ordre de 300 à 400 g par
circuit, est limitée du fait de la plasticité du soufflet
réduisant avantageusement ainsi les efforts appliqués sur
les circuits.
Des trois dispositifs 5aj 5b, Sc représentés sur la figure
1, seul le dispositif Sa n'a pas subi de déformation, la
surface supérieure du circuit 2a étant parallèle au plan du
substrat. La déformation, volontairement exagérée, des
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dispositifs Sb et 5c permet de montrer que toute inclinaison
est automatiquement et entièrement compensée tout en
maintenant l'int~gralité de la surface supérieure des
dispositifs 5a, Sb, 5c, ..., en contact ~troit avec le capot
3 et donc sans augmentation de la résistance thermique.
Dans un mode de réalisation préféré les dispositifs 5a, 5b,
5c, ..., sont des caloducs à soufflet, caloduc à soufflet
dont l'évaporateur, une plaque métallique, es~ la partie en
contact avec le circuit, le condenseur, une autre plaque
métallique, la partie en contact avec le capot et le corps
reliant l'évaporateur au condenseur forme un soufflet
métallique, l'ensemble contenant un fluide caloporteur.
Les dispositifs Sa, Sb, Sc, ..., sont de pr~férence fixés
par leur condenseur au capot 3, tout moyen de fixation
pouvant etre utilisé : colle, soudure, vis, etc ... (selon
le moyen de fixation choisi, la lame d'air entre condenseur
et capot existera ou n'existera pas).
En outre, pour des modules de plus forte dissipation, des
moyens de pompage et d'extraction de la chaleur peuvent être
associés au capot 3, moyens qui peuvent consister par
exemple en un radiateur intimement lié (soit intégré, soit
ajoute) au capot ou une circulation d'un fluide à la surface
supérieure de ce dernier.
Sur la figure 2 est proposé en coupe un exemple d~
dispositif métallique flexible à faible résistance
thermique, ici caloduc à soufflet, pouvant être utilisé dans
le système de refroidissement selon l'invention.
Le caloduc 5 est principalement composé de trois parties
métalliques : l'évaporateur 51, le condenseur 52 et reliant
le condenseur à l'évaporateur, le soufflet 53. L'évaporateur
51 est constitué par une plaque métallique, par exemple en
cuivre, qui a la forme d'un disque dans la partie supérieure
duquel a été pratiqué un évidement permettant de recevoi.r la
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partie basse du soufflet 53. La partie inférieure de ce
disque est, en fonctionnement, appliquée sur le circuit à
refroidir, elle doit etre parfaitement plane et -~on état de
surface harmonisé avec celui des circuits à refroidir. Le
S condenseur 52 qui a, ici, la même forme et les mêmes
caractéristiques que l'évaporateur 51, est symétriquement
opposé à ce dernier par rapport au plan médian
perpendiculaire à l'axe XX' du soufflet, il reçoit dans son
évidement la partie haute du soufflet 53. Le condenseur est
en contact et de préférence est fix~ au capot 3. Le soufflet
53 peut être collé, soudé ou brasé, en évitant les baw res,
aux parties évidées des évaporateur 51 et condenseur 52 pour
former un dispositif hermétique contenant le liquide
caloporteur 54. L'homme du métier saura sans difficulté
définir le diamètre et l'épaisseur des plaques métalliques,
l'éipaisseur du soufflet et la composition du liquide
caloporteur. Cependant, il doit être remarqu~ que
l'~paisseur du soufflet doit con~enir ~ la flexibilité
d~sir~e. Une épaisseur trop importante diminue la
flexibilité alors qu'une épaisseur trop faible augmente la
résistance thermique, cette dernière pouvant être néanmoins
réduite en choisisssant un liquide caloporteur adéquat et/ou
en augmentant le diamètre des plaques métalliques en contact
avec le circuit ~ refroidir.
De plus, afin que les caloducs puissent être utilisés en
position horizontale, une mèche 55 peut être adjointe, elle~
sera dans ce cas située le long de l'évaporateur 51. Une
telle mèche est de préférence constituée d'un grillage
métallique à maille fine.
Selon un second mode de réalisation représenté à la figure
3, chaque dispositif 5a, 5b, 5c, ..., est constitué
principalement d'une plaque métallique supérieure 56 en
contact avec le capot 3 et d'une plaque métallique
inférieure 57 en contact avec le circuit associé, les
plaques 56 et 57 étant reliées entre elles par un soufflet
métallique 58 et l'ensemble contenant un fluide 59 bon
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conducteur de la chaleur, par exemple un métal liquide dans
la gamme de température désirée comme du gallium ou du
mercure. La plaque supérieure 56 comporte en outre un
plongeur 56a (maintenu par ou intégr~ à la plaque 56 comme
dessiné sur la figure 3) baignant en partie dans le fluide
59. .
Le fluide 59 compense ainsi les différences d'inclinaison et
les variations de l'écart entre le plongeur 56a et la plaque
inf~rieure 57 induites par les différences d'altitude entre
le circuit 2a, 2b, 2c, ..., et le capot 3 et permises par le
soufflet métallique 58, alors que la résistance thermique
globale du dispositif 5a, 5b, 5c, ..., est conservée de
faible ~aleur. La plaque métallique 56 de chacun des
dispositifs Sa, 5b, 5c, ..., est de préférence fixée au
capot 3, tout moyen pou~ant etre utilisé : colle, soudure,
vis, etc, ... tselon le mode de fixation choisi, la lame
d'air entre la plaque 56 et le capot 3 existera ou
n'existera pas).
. Ce système de refroidissement simple et efficace fonctionne
a~antageusement dans les gammes de température classiques de
l'électronique, de moins quelques dizaines de C à plus de
100C. Il est de préférence utilisé associé à des modules
"multi-puces" de moyenne dissipation, de l'ordre de quelques
dizaines de W/cm .
