FR2937795A1

FR2937795A1 - Dispositif electronique a matrice de diodes electroluminescentes de forte puissance comprenant des moyens de refroidissement ameliores

Info

Publication number: FR2937795A1
Application number: FR0857334A
Authority: FR
Inventors: Charles Breda
Original assignee: Biophoton S A
Current assignee: Biophoton S A
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2010-04-30
Anticipated expiration: 2028-10-28
Also published as: FR2937795B1

Abstract

Dispositif électronique (10) comprenant au moins un composant électronique (12), un support (16) sur lequel est monté ledit composant électronique (12), ainsi que des moyens de transfert thermique (28, 52) destinés à refroidir ledit composant électronique et comportant un élément thermoconducteur (28). Selon l'invention, ledit support (16) est pourvu d'un orifice (38) agencé en regard du composant électronique (12), et dans lequel est insérée au moins une partie dudit élément thermoconducteur. Application au refroidissement d'une matrice dense de diodes électroluminescentes (12) de forte puissance montées sur un support commun (16).

Description

1 DISPOSITIF ELECTRONIQUE A MATRICE DE DIODES ELECTROLUMIESCENTES DE FORTE PUISSANCE COMPRENANT DES MOYENS DE REFROIDISSEMENT AMELIORES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne le refroidissement de composants électroniques, en particulier de composants émetteurs de lumière tels que des diodes électroluminescentes, ci-après désignées par l'acronyme anglais LED . ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les performances de la plupart des composants électroniques se détériorent lorsque la température augmente. Dans le cas des LED par exemple, lorsque la température de la jonction P-N augmente, l'efficacité lumineuse et la durée de vie de la LED diminuent. Il est donc souhaitable d'équiper de dispositifs de refroidissement les composants qui dégagent d'importantes quantité de chaleur en fonctionnement. Cependant, dans le cas de composants comportant une face supérieure émettant de la lumière, tels que des LED, le refroidissement doit se faire depuis la face inférieure de ces composants, laquelle face est en général positionnée en regard d'un support plan, tel qu'une carte électronique, sur lequel le composant est monté. 2 Pour permettre l'évacuation de la chaleur générée par ce type de composants depuis leur face inférieure, on utilise communement un radiateur comportant une plaque appliquée contre le dos du support et des ailettes s'étendant perpendiculairement à la plaque. La plaque du radiateur assure un contact thermique avec le support pour permettre un transfert thermique par conduction, et les ailettes du radiateur forment des surfaces d'échange thermique avec de l'air environnant. Toutefois, la chaleur est transmise des composants électroniques au radiateur par conduction thermique à travers le support, qui n'est pas en général un bon conducteur thermique. Cette configuration ne permet donc pas une évacuation suffisamment efficace de la chaleur, en particulier dans le cas de composants à fort dégagement thermique tels que des LED dites de forte puissance, c'est-à-dire d'une puissance électrique supérieure à 1 Watt environ. Cela affecte le fonctionnement de ces composants électroniques, mais aussi celui d'autres composants portés par le support, notamment lorsque ce dernier est une carte électronique. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à ces problèmes, permettant d'éviter les inconvénients précités. 3 L'invention a en particulier pour but de permettre le refroidissement d'une LED de forte puissance, et plus généralement de tout type de composant électronique nécessitant un refroidissement efficace en fonctionnement. Elle a également pour but de permettre le refroidissement d'une matrice de composants de ce type montés sur un support commun. L'invention propose à cet effet un dispositif électronique comprenant au moins un composant électronique, un support sur lequel est monté ledit composant électronique, ainsi que des moyens de transfert thermique destinés à refroidir ledit composant électronique et comportant un élément thermoconducteur. Selon l'invention, ledit support est pourvu d'un orifice agencé en regard du composant électronique, orifice dans lequel est insérée au moins une partie dudit élément thermoconducteur. L'orifice du support permet de rapprocher la partie de l'élément thermoconducteur, qui est insérée dans cet orifice, du composant électronique, de manière à améliorer l'efficacité du transfert thermique entre ce composant électronique et l'élément thermoconducteur.

Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'élément thermoconducteur a la forme générale d'une tige et comporte une première extrémité positionnée en regard dudit composant électronique et une seconde extrémité en saillie dudit support. 4 La première extrémité de l'élément thermoconducteur assure le contact thermique entre cet élément et le composant électronique. La seconde extrémité de cet élément thermoconducteur permet, en étant en saillie du support, de conduire la chaleur vers l'extérieur de ce support. Du fait que cette seconde extrémité est en saillie du support, une partie plus ou moins étendue d'une surface latérale de l'élément thermoconducteur se trouve également en saillie de ce support, et peut former, le cas échéant, une surface d'échange thermique avec de l'air, ou tout autre fluide caloporteur, dans lequel la seconde extrémité de l'élément thermoconducteur peut baigner. Les moyens de transfert thermique comprennent avantageusement des ailettes thermoconductrices qui s'étendent parallèlement à l'élément thermoconducteur et qui sont réparties autour d'une partie, en saillie du support, de cet élément thermoconducteur. Ces ailettes permettent d'accroître considérablement la surface d'échange thermique entre l'élément thermoconducteur et un éventuel fluide caloporteur dans lequel l'élément thermoconducteur et ces ailettes peuvent baigner. Les ailettes thermoconductrices sont de préférence formées dans un élément de profilé comprenant une partie centrale sensiblement cylindrique depuis laquelle s'étendent lesdites ailettes et qui est fixée autour de la partie en saillie du support de l'élément thermoconducteur. Un tel élément de profilé présente l'avantage d'être simple et peu coûteux à fabriquer. 5 Du fait de sa fixation à l'élément thermoconducteur, l'élément de profilé peut en outre assurer la retenue de l'élément thermoconducteur dans l'orifice du support. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, ledit support est une carte électronique. Une telle carte peut comporter les circuits et composants électroniques requis pour l'alimentation et la commande du ou des composants électroniques refroidis par les moyens de transfert thermique précités. Avantageusement, ledit orifice du support débouche vers ledit composant électronique. Cela permet d'appliquer une partie de l'élément thermoconducteur directement contre le composant électronique, et d'optimiser ainsi le contact thermique entre ce composant et cet élément thermoconducteur. La première extrémité de l'élément thermoconducteur présente de préférence une surface d'extrémité plane appliquée contre une surface plane dudit composant électronique. Cette surface d'extrémité plane forme ainsi une surface de contact thermique entre le composant électronique et l'élément thermoconducteur. 6 Avantageusement, ladite surface d'extrémité plane affleure une surface du support sur laquelle ledit composant électronique est monté. Cela permet de faciliter l'agencement de composants électroniques sur le support tout en réduisant au mieux l'encombrement du dispositif électronique selon la direction perpendiculaire à ladite surface du support. La surface d'extrémité plane précitée est de préférence formée sur une partie tronconique de l'élément thermoconducteur, qui repose sur un siège de forme sensiblement conjuguée formé autour dudit orifice du support. Cela permet d'accroître la surface d'échange thermique entre le composant électronique et l'élément thermoconducteur. De plus, la partie tronconique de l'élément thermoconducteur peut coopérer avec le siège de l'orifice du support de manière à retenir l'élément thermoconducteur dans cet orifice tout en optimisant la tenue mécanique de cet élément thermoconducteur. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, l'élément thermoconducteur est une tige réalisée en un matériau thermoconducteur.

Une telle tige est particulièrement simple et peu coûteuse à fabriquer, et peut présenter un petit diamètre de section pour un encombrement réduit dans le plan du support, et une grande longueur pour une surface latérale d'échange thermique de superficie maximale. 7 La tige comprend de préférence un canal interne qui s'étend sur une portion de cette tige et qui débouche à l'extrémité de la tige opposée audit composant électronique.

Ce canal interne permet d'accroître encore la surface d'échange thermique entre la tige et un éventuel fluide caloporteur dans lequel l'extrémité précitée de la tige peut baigner. Avantageusement, l'élément thermoconducteur comporte un capteur de température. Compte tenu de la bonne conductivité thermique de l'élément thermoconducteur, ce dernier est à une température relativement homogène, qui se trouve être sensiblement égale à la température du composant électronique, du fait de l'efficacité des échanges thermiques entre l'élément thermoconducteur et ce composant. Le capteur de température, qui est en contact avec cet élément thermoconducteur, est ainsi en mesure de délivrer une information de température relativement précise. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, ledit composant électronique est un composant émetteur de lumière, tel par exemple qu'une diode électroluminescente.

L'invention est en effet particulièrement avantageuse pour le refroidissement de composants émetteurs de lumière, qui ne peuvent être refroidis par leur surface émissive, et plus particulièrement pour le refroidissement de diodes électroluminescentes de forte puissance, à fort dégagement thermique. 8 Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif comprend une pluralité de composants électroniques montés sur un support commun et une pluralité d'éléments thermoconducteurs associés respectivement auxdits composants électroniques. Les éléments thermoconducteurs pouvant, selon l'invention, présenter un encombrement réduit dans le plan du support, l'invention rend possible le montage d'un grand nombre de composants électroniques, tels que des LED de forte puissance, sur une surface relativement réduite d'un même support, tout en assurant un refroidissement efficace de chacun des composants de manière à permettre un fonctionnement optimal de ces composants. Un dispositif électronique de ce type peut par exemple être utilisé dans la conception d'une lampe de photothérapie. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise, et d'autres détails, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un dispositif électronique selon un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 est une vue en coupe à plus grande échelle d'une partie de la figure 1 ; la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un dispositif électronique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. 9 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PREFERES La figure 1 représente un dispositif électronique 10 comprenant une matrice de diodes électroluminescentes (LED) 12 de forte puissance, montées sur une première face 14 d'une carte électronique 16. Chaque LED 12 comprend une base 18 qui comporte une puce reliée à deux électrodes 20 et qui est recouverte d'un dôme de protection 22 en epoxy ou analogue, d'une manière bien connue. La base 18 de chaque LED 12 comporte une face supérieure d'émission de lumière et une partie inférieure qui est appliquée contre la première face 14 de la carte électronique 16. Cette partie inférieure peut comprendre une couche de matériau thermoconducteur destinée à l'évacuation de la chaleur générée par la LED vers des moyens de transfert thermique. Les deux électrodes 20 de chaque LED 12 sont soudées de part et d'autre de la base 18 de la LED sur la carte électronique 16, de manière à raccorder la puce de la LED à un circuit imprimé sur la face 14 de la carte (non visible sur les figures), et de manière à assurer la fixation de la LED sur la carte. Dans cet exemple de réalisation, la carte électronique 16 comporte d'autres composants électroniques 24 sur sa face 14 mais aussi sur sa seconde face 26, ces composants 24 étant destinés à l'alimentation et à la commande des LED 12. Chaque LED 12 est par ailleurs associée à 30 un élément thermoconducteur formé d'une tige métallique 28 et destiné à évacuer la chaleur générée 10 par la LED en fonctionnement, comme cela apparaîtra plus clairement dans ce qui suit. La tige 28 est par exemple réalisée en cuivre recuit, et présente par exemple une section d'un diamètre externe de 3 millimètres environ, et une longueur de 1 centimètre environ. Comme le montre la figure 2, chaque tige 28 comprend à l'une de ses extrémités une tête 32 qui présente une surface d'extrémité plane 34 et une base tronconique 36. Cette tête 32 est insérée dans un orifice 38 qui est ménagé dans la carte électronique 16, en regard de la LED 12 associée à la tige 28, et qui traverse la carte 16 depuis sa première face 14 jusqu'à son autre face 26.

La tige 28 est fixée à la carte 16 par soudage ou analogue au niveau de la seconde face 26 de cette carte 16. La paroi interne de l'orifice 38 précité comporte une partie tronconique 40 qui s'étend depuis la face 14 de la carte et qui est raccordée à une partie cylindrique 42 de cette paroi interne, débouchant sur l'autre face 26 de la carte. La partie tronconique 40 de la paroi interne de l'orifice 38 forme un siège pour la base tronconique 36 de la tête d'extrémité 32 de la tige 28. La base tronconique 36 et le siège 40 précités ont des formes mutuellement conjuguées et permettent une retenue de la tige 28 dans l'orifice 38, du côté de la première face 14 de la carte 16, ce qui permet de réduire les sollicitations mécaniques de la soudure ou 11 des moyens de fixation analogues de la tige 28 au niveau de la seconde face 26 de la carte 16. Par ailleurs, la surface plane 34 de la tête d'extrémité 32 affleure la surface de la face 14 de la carte électronique 16 et est appliquée contre la face inférieure de la base 18 de la LED 12 de sorte que la chaleur générée par la LED peut être efficacement transférée à la tête 32 de la tige 28 par conduction thermique.

En outre, la surface plane 34 de la tête 32 est recouverte d'une fine couche de pâte thermique ou d'un film thermoconducteur (non visible sur les figures), pour améliorer le contact thermique entre cette tête 32 et la base 18 de la LED 12, et favoriser ainsi les échanges thermiques par conduction entre ces deux éléments. Cette pâte thermique peut en outre assurer une fonction d'isolation électrique entre la LED 12 et la tige 28. La tige 28 comporte une partie 44 en saillie par rapport à la face 26 de la carte électronique 16, cette partie 44 s'étendant depuis l'extrémité 46 de la tige 28 opposée à la tête 32 de cette tige. Cette partie 44 de la tige présente une surface latérale cylindrique qui s'ajoute à la face d'extrémité 46 de la tige pour former une surface d'échange thermique avec de l'air dans lequel baigne cette partie 44. La longueur de la partie 44 de la tige 28 est déterminée en fonction de l'importance du flux de 30 chaleur qu'il est nécessaire d'évacuer pour permettre 12 un fonctionnement de la LED 12 dans de bonnes conditions. Pour accroître la surface d'échange thermique entre la partie 44 de la tige 28 et l'air environnant, un canal 48 est ménagé à l'intérieur de la tige 28, depuis l'extrémité 46 de cette tige. Ce canal 48 débouche au niveau de cette extrémité 46 de la tige, de sorte que la surface interne de ce canal forme une surface d'échange thermique supplémentaire avec l'air environnant. Les échanges thermiques peuvent être encore améliorés en immergeant les parties 44 en saillies des tiges 28 dans un liquide caloporteur, tel que de l'eau. Pour cela, un récipient (non représenté sur les figures) rempli d'un tel liquide est par exemple disposé en regard de la seconde face 16 de la carte. Ce récipient peut être fermé et comporter des orifices de passage à étanchéité des tiges 28 pour l'immersion de leur partie 44 dans le liquide. En variante, la carte électronique peut former une paroi du récipient. Il peut être nécessaire dans ce cas, si le liquide caloporteur n'est pas un bon isolant électrique, de s'assurer que les tiges 28 sont montées à étanchéité dans la carte 16 et que tous les composants et circuits électroniques de cette carte sont portés par la première face 14 de celle-ci, pour éviter tout risque de court-circuit. D'une manière facultative, chaque tige 28 porte en outre un capteur de température (non visible sur les figures) qui est agencé sur la surface de la tige, ou éventuellement à l'intérieur de son canal 13 interne 48, et qui est relié électriquement à des composants de la carte électronique 16 pour transmettre à ces derniers une information relative à la température de la tige 28, qui est sensiblement égale à celle de la LED 12 associée à cette tige 28. D'une manière générale, en fonctionnement, la chaleur dégagée par la surface inférieure des LED 12 est transférée par conduction thermique directement aux tiges thermoconductrices 28 via leur tête 32 d'extrémité, sans passer par la carte électronique 16, et cette chaleur est ensuite transférée à l'air dans lequel baignent les parties 44 des tiges 28 en saillie de la carte 16. La surface d'échange thermique formée par ces parties 44 peut être rendue aussi grande que le nécessite le refroidissement des LED 12 en augmentant la longueur des tiges 28. Les tiges 28 peuvent ainsi être conçues avec un diamètre de section réduit, de l'ordre de quelques millimètres, et une grande longueur de l'ordre d'un ou plusieurs centimètres, de sorte que l'invention permet le refroidissement d'une matrice de LED de forte puissance présentant une forte densité d'intégration sur une carte électronique, cette densité pouvant par exemple être égale à une LED par centimètre carré environ. Il est ainsi possible, par exemple, de monter 420 LED d'une puissance électrique de 1W et d'une luminosité de 80 lumens sur un support de 20 cm par 30 cm environ, c'est-à-dire d'un format du type A4, pour obtenir un flux lumineux résultant supérieur à 30000 lumens. 14 En utilisant un nombre identique de LED d'une puissance électrique de 5W et d'une luminosité de 250 lumens sur le support décrit ci-dessus, il est même possible d'atteindre un flux lumineux de l'ordre de 100000 lumens. L'invention permet, en d'autres termes, d'obtenir avec des LED de ce type un flux lumineux par unité de surface égal à 250 lumens par cm2 environ. Dans un deuxième mode de réalisation de l'invention, chaque tige 28 porte des ailettes 50 longitudinales, c'est-à-dire s'étendant parallèlement aux tiges 28, comme le montre la figure 3. Ces ailettes 50 sont destinées à accroître la surface d'échange thermique des tiges 28 avec de l'air environnant, ou avec un autre fluide caloporteur. Les ailettes 50 sont formées dans un élément de profilé 52, réalisé en cuivre, aluminium ou analogue, et comprenant une partie centrale cylindrique 54 depuis laquelle s'étendent ces ailettes 50 et autour de laquelle ces ailettes sont réparties sensiblement régulièrement. La partie centrale 54 de l'élément de profilé 52 est montée autour de la partie 44 de la tige 28 en saillie de la carte 16.

Pour cela, le diamètre interne de la section de la partie centrale 54 est sensiblement égal au diamètre externe de la section de la partie 44 de la tige, égal à 3 mm environ dans cet exemple de réalisation.

15 La partie centrale 54 de l'élément de profilé 52 comporte une fente longitudinale 56 destinée à faciliter son montage sur la tige 28. De plus, cette partie centrale 54 est 5 précontrainte pour permettre sa fixation autour de la tige 28. En variante, la partie centrale 54 peut être fixée à la tige 28 par soudage ou analogue. La partie centrale 54 de l'élément de 10 profilé 52 peut participer à la retenue de la tige 28 dans l'orifice 38 de la carte électronique 16, auquel cas la fixation de la tige 28 à la carte par soudage ou analogue peut se révéler superflue. Les ailettes longitudinales 50 sont par 15 exemple au nombre de 15 et séparées les unes des autres d'un angle de 22,5 degrés environ. Dans l'exemple représenté, ces ailettes ont une étendue radiale de 4,8 mm environ et une épaisseur de 0,2 mm environ à leurs extrémités radialement 20 externes, de sorte que la présence des ailettes 50 permet de multiplier par 16 environ la surface d'échange thermique par unité de longueur de tige 28. D'une manière générale, l'élément thermoconducteur 28 peut, sans sortir du cadre de 25 l'invention, revêtir tout type de forme convenant au refroidissement d'un composant électronique. Cet élément thermoconducteur peut en particulier être un caloduc, c'est-à-dire un élément tubulaire dans lequel circule un fluide caloporteur en 30 circuit fermé de manière à subir en alternance des phases de condensation et d'évaporation en deux 16 extrémités de cet élément, qui sont respectivement en contact avec le composant électronique à refroidir et avec de l'air ou un autre fluide caloporteur, d'une manière bien connue. Un élément de ce type présente d'excellentes capacités de transfert thermique.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif électronique (10) comprenant au moins un composant électronique (12), un support (16) sur lequel est monté ledit composant électronique (12), ainsi que des moyens de transfert thermique (28, 52) destinés à refroidir ledit composant électronique (12) et comportant un élément thermoconducteur (28), caractérisé en ce que ledit support (16) est pourvu d'un orifice (38) agencé en regard du composant électronique (12), orifice (38) dans lequel est insérée au moins une partie dudit élément thermoconducteur (28).
2. Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément thermoconducteur (28) a la forme générale d'une tige et comporte une première extrémité (32) positionnée en regard dudit composant électronique (12) et une seconde extrémité (46) en saillie dudit support (16).
3. Dispositif électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de transfert thermique comprennent des ailettes thermoconductrices (50) qui s'étendent parallèlement à l'élément thermoconducteur (28) et qui sont réparties autour d'une partie (44), en saillie du support (16), de cet élément thermoconducteur (28).
4. Dispositif électronique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les ailettes 18 thermoconductrices (50) sont formées dans un élément de profilé (52) comprenant une partie centrale sensiblement cylindrique (54) depuis laquelle s'étendent lesdites ailettes (50) et qui est fixée autour de la partie (44), en saillie du support (16), de l'élément thermoconducteur (28).
5. Dispositif électronique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit support (16) est une carte électronique.
6. Dispositif électronique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit orifice (38) du support (16) débouche vers ledit composant électronique (12).
7. Dispositif électronique selon l'ensemble des revendications 2 et 6, caractérisé en ce que la première extrémité (32) de l'élément thermoconducteur (28) présente une surface d'extrémité plane (34) appliquée contre une surface plane dudit composant électronique (12).
8. Dispositif électronique selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite surface d'extrémité plane (34) affleure une surface (14) du support (16) sur laquelle ledit composant électronique (12) est monté.
9. Dispositif électronique selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que ladite 19 surface d'extrémité plane (34) est formée sur une partie tronconique (36) de l'élément thermoconducteur (28), laquelle partie tronconique (36) repose sur un siège (40) de forme sensiblement conjuguée formé autour dudit orifice (38) du support (16).
10. Dispositif électronique selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que l'élément thermoconducteur (28) est une tige réalisée en un matériau thermoconducteur.
11. Dispositif électronique selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite tige (28) comprend un canal interne (48) qui s'étend sur une portion de la tige et qui débouche à l'extrémité (46) de la tige opposée audit composant électronique (12).
12. Dispositif électronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément thermoconducteur (28) comporte un capteur de température.
13. Dispositif électronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit composant électronique (12) est un composant émetteur de lumière, tel par exemple qu'une diode électroluminescente.
14. Dispositif électronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il 20 comprend une pluralité de composants électroniques (12) montés sur un support commun (16) et une pluralité d'éléments thermoconducteurs (28) qui sont associés respectivement auxdits composants électroniques.5