FR2511193A1 - Support en materiau colamine pour le refroidissement et l'encapsulation d'un substrat de circuit electronique - Google Patents

Support en materiau colamine pour le refroidissement et l'encapsulation d'un substrat de circuit electronique Download PDF

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Abstract

SELON UNE VARIANTE PREFEREE DE L'INVENTION, LE COLAMINE CL COMPREND UNE COUCHE EXTERNE C1 MINCE EN CUIVRE A DILATATION PREETABLIE SUR LAQUELLE EST BRASE LE SUBSTRAT 5, L'AUTRE COUCHE EXTERNE C2 ETANT EN CUIVRE ET D'EPAISSEUR SUFFISANTE POUR ETRE TRANSFORMEE EN REFROIDISSEUR. LA COUCHE EPAISSE C2 PEUT ENCORE COMPORTER UNE CAVITE AU FOND DE LAQUELLE EST BRASE LE SUBSTRAT A REFROIDIR, L'ENSEMBLE COMPLETE D'UN COUVERCLE, FORMANT LE BOITIER D'ENCAPSULATION. LA COUCHE EPAISSE C2 PEUT AUSSI SERVIR DE REPARTITEUR DE FLUX THERMIQUE ET D'EMBASE A UN TRANSISTOR CONVENTIONNEL. DES TRAVERSEES PLACEES POUR RELIER LES DEUX COUCHES EXTERNES PEUVENT AMELIORER LA CONDUCTIBILITE THERMIQUE TRANSVERSALE DU COLAMINE.

Description

SUPPORT EN MATERIAU COLAMINE POUR
LE REFROIDISSEMENT ET L'ENCAPSULATION
D'UN SUBSTRAT DE CIRCUIT ELECTRONIQUE.
L'invention concerne un support en matériau colaminé pour le refroidissement et l'encapsulation d'un substrat de circuit électronique et plus particulièrement d'un substrat de grandes dimensions.
Il est connu que les performances d'un dispositif de refroidissement dépendent en premier lieu de la bonne conduction thermique qui existe entre le substrat à refroidir et le milieu ambiant. Il est aussi connu que dans l'état actuel de la technique la brasure du substrat sur le radiateur est la meilleure façon d'obtenir une bonne conductibilité thermique. Toutefois lorsque le substrat dépasse certaines dimensions, typiquement supérieures à 50 mm X 50 mm, les différences de valeurs entre le coefficient de dilatation thermique du substrat d'une part et celui du dissipateur d'autre part font apparaître des contraintes de cisaillements excessives provoquant des ruptures soit dans le substrat soit dans la brasure.Une solution connue consiste à serrer mécaniquement le substrat contre le refroidisseur après avoir placé entre ces derniers une mince couche de graisse conductrice de la chaleur; cependant les substrats utilisés ne sont pas parfaitement plans ce qui conduit, d'un composant à l'autre,à de notables différences de conductibilité thermique; de plus et pour certaines classes de composants les graisses conductrices ne peuvent être utilisées en raison de leur manque de stabilité à long terme.
Une autre solution connue consiste à serrer par des moyens mécaniques le substrat sur le refroidisseur en plaçant entre ces derniers une plaque de caoutchouc conducteur; la conductibilité thermique reste faible et le support necessite un dispositif de serrage.
Dans le domaine des boîtiers d'encapsulation pour des circuits fonctionnant, par exemple dans la gamme des hyperfréquences, la technique actuelle utilise des boîtiers taillés dans la masse à partir de matériaux rares tels que le ferronickel pour reduire l'encombrement ou le titane pour reduire le poids.Ces matériaux rares sont choisis pour leur coefficient de dilatation, leur usinabilité, leur aptitude à être brasé. Tous ne reunissent pas ces conditions, le titane, par exemple, n'est pas directement brasable et doit recevoir au préalable un dépôt de métal compatible (nickel, or).
La présente invention propose d'utiliser un matériau constitué de couches de métal superposées connu sous le nom de colaminé pour effectuer le couplage thermique du substrat au milieu ambiant. Le coefficient de dilation en surface peut être prédéterminé pour être égal à celui du substrat rendant la brasure possible pour toute dimension de ce substrat. Selon la caractéristique principale de l'invention ce colaminé comporte une des couches de métal externes suffisamment épaisse pour constituer, apyres transformation et suivant le cas, un radiateur, une embase de transistor fixée sur un radiateur standard ou encore un boîtier pour microcircuits; par ailleurs cette couche est d'épaisseur suffisante pour éviter une déformation mécanique du colaminé en fonction de la température (effet bilame).Selon une autre caractéristique de l'invention des traversées en métal à bonne conductibilité thermique peuvent être placées dans l'épaisseur du colaminé pour augmenter sa conductibilité thermique dans le sens transversal.
L'invention a donc pour objet un support en matériau colaminé pour le refroidissement et l'encapsulation d'un substrat isolant ou semiconducteur sur lequel est disposé au moins un élément dissipatif, lequel substrat est brasé sur une embase constituée d'au moins deux couches de métal superposées du type colaminé; caractérisé en ce qu'une des couches externes dudit colaminé a une épaisseur plus importante que l'autre couche externe, l'epaisseur étant suffisante pour constituer un organe de refroidissement ou un organe d'encapsulation.
L'invention sera mieux comprise et les détails de réalisation apparaitront plus clairement à Laide de la description qui suit, en référence aux figures annexées.
La figure 1 illustre une possibilité d'associer un substrat a un refroi
disseur selon l'art connu.
La figure 2 est un exemple de matériau colaminé selon l'art connu.
La figure 3 illustre un permier exemple de réalisation d'un dispositif de
refroidissement selon l'invention.
La figure 4 est une première variante de réalisation de dispositif de
refroidissement selon l'invention.
La figure 5 illustre une deuxième variante de l'invention dans laquelle
le colaminé est utilisé comme répartiteur de flux thermique et comme
embase de transistor.
La figure 6 illustre une troisième variante de l'invention dans laquelle
le colaminé est utilisé seulement comme répartiteur de flux thermique
dans un transistor.
La figure 7 est un boîtier pour microcircuit réalisé dans la couche
épaisse du colaminé selon une des variantes de réalisation de l'inven
tion
La figure 8 est une vue plus détaillée du dispositif de refroidissement
selon un aspect de l'invention et représenté de façon simplifiée sur la
figure 3.
La figure 9 illustre un autre aspect de l'invention permettant d'ame-
liorer la conductibilité thermique transversale du colaminé.
La figure I illustre une possibilité d'associer un substrat a un refroidisseur selon l'art connu. Sur cette vue en coupe un substrat S comportant un élément dissipatif E est placé, par l'intermédiaire d'une plaque de caoutchouc conducteur PC, sur un radiateur conventionnel R. Un cadre d'appui
CA et quatre vis de serrage V permettent d'exercer une pression sur la périphérie du substrat S assurant ainsi le contact thermique avec le radiateur R par compression de la plaque de caoutchouc conducteur PC.
La figure 2 montre un exemple de matériau colaminé selon l'art connu.
Un tel matériau est constitué d'un nombre de couches superposées qui peut être important. Chaque couche diffère généralement des autres couches par son épaisseur et la nature du métal utilisé.
En choisissant judicieusement le métal et l'épaisseur de chaque couche ainsi que le nombre de couches il est possible d'obtenir un nouveau matériau ayant un certain nombre de propriétés physiques choisies d'avance, ensemble
de propriétés qu'aucun métal constitutif ne possède en propre. Dans le cas
présent le coefficient de dilation en surface, la conductibilité thermique et
un bon maintien de la planéité en fonction de la température (effet bilame)
sont les trois paramètres essentiels à prendre en considération. La figure 2
représente un élément de colaminé limité à trois couches A, B et C et à des métaux d'usage courant. Sous cette forme simplifiée et économique les performances obtenues sont satisfaisantes. Ce colaminé est constitué d'une couche B d'invar, d'épaisseur b, placé en sandwich entre deux couches A et C en cuivre d'épaisseurs respectives a, c.Le coefficient de dilatation du cuivre est d'environ 17.10-6 par degré centigrade autour de 200C alors que celui de l'invar n'est, dans les mêmes conditions,-que de 2.10 6. En ajustant le rapport a/b des épaisseurs de la couche A en cuivre et de la couche B en invar il est possible d'obtenir un coéfficient de dilatation sur la face supérieure de la couche A variant de façon progressive de celui de l'invar (2.10-6) à celui du cuivre (17.10-G). La couche B en invar se dilatant moins que la couche A en cuivre l'ensemble subirait une déformation mécanique sous l'effet de la température (effet bilame) si une couche C en cuivre, d'épaisseur déterminée c, placée à la partie inférieure ne soumettait la couche B en invar à une force égale et opposée à celle appliquée par la couche A.
La figure 3 illustre un premier exemple de réalisation d'un dispositif de refroidissement selon l'invention. Dans cette variante préférée le matériau colaminé CL est, selon la caractéristique principale de l'invention, constitué d'une première couche de cuivre C1, d'une couche d'invar IV et d'une troisième couche épaisse en cuivre C2 profilée pour former un radiateur.
Une brasure BR assure la liaison entre un substrat S porteur d'un élément dissipatif E et la première couche C1 du matériau colaminé CL. La couche en cuivre C2 est réalisée de façon à constituer un refroidisseur suffisamment rigide pour éliminer toute déformation mécanique du colaminé en fonction de la température (effet bilame) et présenter un bon couplage thermique avec le milieu ambiant Le matériau colaminé de la figure 3 peut être réalisé de sorte que la couche inférieure C2 soit profilée en forme de radiateur, un des rouleaux de laminage étant, par exemple, constitué d'une succession de galets espacés pour profiler les ailes. Une autre solution consiste à faire un matériau colaminé dont la couche C2 est d'épaisseur suffisante et à éliminer le métal superflu par extrusion ou autres procédés industriels.
La figure 4 est une première variante de réalisation de dispositif de refroidissement selon l'invention dans laquelle des ailettes de refroidis sement AL sont rapportées sur la couche épaisse C2 du colaminé par brasage, collage ou autres procédés connus.
La figure 5 illustre une deuxième variante de l'invention dans laquelle la couche épaisse C2 du colaminé a été usinée pour servir de répartiteur de flux thermique et d'embase a un transistor, laquelle embase peut, à son tour, être fixée sur un radiateur conventionnel. Dans la technique connue, le substrat S est brasé sur un répartiteur de flux thermique en molybdène ayant le même coefficient de dilatation thermique que le substrat S.
Le répartiteur en molybdène est brasé à son tour sur l'embase du transistor. Selon cet aspect de l'invention il est donc possible de remplacer le molybdène qui est un métal rare par un métal d'usage courant comme le cuivre et d'éliminer de surcroit une opération de brasage.
La figure 6 illustre une troisième variante de l'invention dans laquelle la couche épaisse de cuivre C2 ne sert que de répartiteur de flux thermique, laquelle couche épaisse C2 est alors brasée sur une embase conventionnelle
EB de transistor.
La figure 7 est un boîtier pour microcircuit réalisé dans la couche épaisse du colaminé selon une des variantes de réalisation de l'invention. il s'agit à titre d'exemple, d'un circuit fonctionnant dans le domaine des hyperfréquences. Les éléments E placés sur le substrat S sont reliés à des bornes de liaison CO disposées sur les parois latérales du boîtier. Le substrat
S est brasé sur un plan de cuivre appartenant à la couche épaisse C2. La couche d'invar IV et la couche de cuivre Cl déterminent le coefficient de dilatation du plan sur lequel est fixé le substrat S. Les parois latérales assurent le refroidissement et la rigidité mécanique du boîtier, un couvercle
CV en assure l'étanchéité.
La figure 8 est une vue plus détaillée du dispositif de refroidissement selon un aspect de l'invention tel que représenté de façon simplifiée par la figure 3.
Un substrat S comporte: les éléments du circuit tels que E, des points d'accès AC placés à la périphérie du substrat, des liaisons par fils ou par métallisation dudit substrat. Le substrat est brasé sur un colaminé cuivreinvar-cuivre dont la couche épaisse C2 assure de par sa forme le refroidissement et la rigidité de l'ensemble. Un couvercle CV, transparent pour la clarté de la figure, de dimensions inférieures à celles du substrat pour donner accès aux points d'entrée AC, assure la protection du circuit.
La figure 9 illustre un autre aspect de l'invention permettant d'améliorer la conductibilité thermique transversale du colaminé CL.
Des traversées T, dans une variante préférée en cuivre et cylindriques, ou de façon plus générale, en un matériau de conductibilité thermique supérieure à celle du colaminé, dans l'exemple illustré supérieure à celle de l'invar IV, sont placées dans l'épaisseur du colaminé. Dans une autre variante non représentée sur la figure les traversées peuvent être placées uniquement dans l'épaisseur de la couche centrale. La section et la répartition de ces traversées T sont choisies pour obtenir, en tenant compte des caractéristiques du colaminé CL retenu, un coéfficient de dilatation préétabli et l'augmentation de conductibilité thermique recherchée. Un tel colaminé peut être utilisé pour réaliser les différentes variantes de supports pour refroidissement et encapsulation de substrats selon l'invention décrites précédemment. D'autres colaminés réalisés en cuivre, en or, en argent, etc pour les couches externes dans une combinaison quelconque avec une couche centrale réalisée en invar, molybdène, titane, etc et autres variantes comportant plus de trois couches de métal peuvent être utilisés, l'invention n'étant pas limitée aux seules variantes décrites à titre d'illustration.

Claims (9)

REVENDICATIONS
1. Support en matériau colaminé pour le refroidissement et l'encapsulation d'un substrat (S) isolant ou semiconducteur sur lequel est disposé au moins une élément dissipatif (E) lequel substrat (S) est brasé sur une embase (CL) constituée d'au moins deux couches de métal superposées du type colaminé, caractérisé en ce qu'une des couches externes (C2) dudit colaminé a une épaisseur plus importante que l'autre couche externe (C1), l'épaisseur étant suffisante pour constituer un organe de refroidissement ou un organe d'encapsulation.
2. Support selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'en outre le colaminé (CL) est muni de moyens pour augmenter sa conductibilité thermique transversale.
3. Support selon la revendication 2 caractérisé en ce que les moyens pour augmenter la conductibilité thermique transversale sont des traversées en métal (T) de conductibilité thermique supérieure à celle de colaminé (CL) et placées dans l'épaisseur de ce colaminé.
4. Support selon la revendication 3 caractérisé en ce que les traversées (T) dispesées dans l'épaisseur du colaminé sont des tiges de section circulaire en cuivre.
5. Support selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisés en ce que le colaminé (CL) comporte trois couches (A, B et C) de métal, les couches externes (A et C) étant réalisées en cuivre, en or ou en argent et la couche interne (B) en invar, en molybdène ou en titane.
6. Support selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la couche épaisse de cuivre (C2) est profilée de manière à former un radiateur.
7. Support selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la couche épaisse de cuivre (C2) constitue l'embase d'un transistor ladite embase étant fixée sur un radiateur conventionnel.
8. Support selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la couche épaisse de cuivre (C2) est brasée sur une embase conventionnelle (EB) de transistor.
9. Support selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la couche épaisse (C2) comporte une cavité au fond de laquelle est brasé le substrat (SY à refroidir.
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