电子模块的热和电磁管理装置的制作方法

[0001]
本发明涉及电子装置领域。本发明在可以放置于危险的热环境中的电子装置的热管理领域中，特别是在汽车应用中，针对在车辆发动机罩下并由例如包括在设备中的电子卡之类的电子装置进行控制的所有车载设备获得了特别有利的应用。


背景技术：

[0002]
电子装置产生自发热，并且当它们放置在温度急剧升高的环境中，例如在汽车领域时，电子装置的温度和/或相关组件的温度超过其最高允许温度通常在150℃左右的风险因此很高。已研究出用于使电子装置绝热同时确保使其自身发热散发的系统。
[0003]
如在文献us 7,069,979 b1中所述，已知通过相变材料的熔融来吸收热功率或温度的峰值。该装置在此用于螺线管和电动机。相变材料用于吸收热量。
[0004]
另外，电子装置受益于电磁屏蔽，以确保工作不受干扰或侵入。保护电子装置的直接环境免受所述电子装置的电磁辐射的损害也很重要，以便遵守规范约束并保证在其附近共存的系统的正常工作。
[0005]
众所周知，法拉第笼原理可电磁保护组件免受外部辐射或保护环境免受组件辐射。已知的装置是其外壳由电磁材料制成的外壳。
[0006]
法拉第笼原理有时与绝热器相关联，如在专利申请fr2713327a1中所述，其涉及用于实现隔板的建筑面板。
[0007]
然而，在微电子领域中没有令人满意的解决方案用于在确保电子装置的电磁屏蔽的同时确保热保护。
[0008]
因此，本发明的目的是提供一种电子模块的热和电磁管理装置。
[0009]
通过查看以下描述和附图，本发明的其他目的、特征和优点将变得显而易见。可以理解，可以结合其他优点。


技术实现要素：

[0010]
为了达到该目的，本发明提供了一种电子模块的热和电磁管理装置，其包括：电子模块，相变材料(mcp)和旨在收纳所述相变材料和所述电子模块的外壳。所述装置的特征在于：所述相变材料是嵌入有所述电子模块的金属或金属合金。
[0011]
有利地，所述电子模块包括电子装置，并且有利地包括其连接件和保护壳体，所述保护壳体限定所述电子模块的外表面，并旨在封装所述电子装置，以避免所述相变材料与所述电子装置接触。
[0012]
本发明的特征在于，所述装置包括用于将所述电子模块定位在所述外壳中的定位系统，所述定位系统构造成确保所述相变材料在所述电子模块并且更具体地为保护壳体的整个所述外表面上接触。此外，该定位系统允许确保电子模块周围的mcp厚度最小，从而确保热屏蔽功能。有利地，它通过其材料和/或其形状限制了附加的电磁泄漏的任何可能性。
[0013]
使用与电子模块接触的mcp允许确保电子模块的温度保持接近mcp的相变温度。实
际上，无论是电子模块的环境热量还是由电子模块产生的热量，mcp都会吸收热量。mcp在其相变期间尤其会储存大量热量。当环境温度低于相变温度时，mcp会释放所储存的热量。
[0014]
选择是金属或金属合金的mcp确保了良好导热性(约30w/m/k，而传统的有机mcp约为1w/m/k)，这使得热量传递更加容易，尤其是在向外部的热量释放阶段时(有利地在mcp的固化时)。这也允许更好地使电子模块的温度均匀化，并因此更好地抵抗其所包括的组件的自发热，这是一种散热器功能。此外，选择这种mcp允许确保电磁保护，这也称为电子模块的屏蔽。另外，由金属制成或由金属合金制成的mcp具有各种各样的相变温度，这允许适应不同的使用条件并因此适应环境温度。
[0015]
最后，为了确保热保护和电磁屏蔽，电子模块应完全由mcp包围。定位系统确保电子模块的正确位置，特别是在mcp的相变时，mcp有利地根据本发明从固态转变为液态，反之亦然。在液态下，电子模块将倾向于在重力作用下上升，或更普遍地，在由外部使用条件施加的力、振动或加速度的作用下位移。定位系统尤其确保在电子模块的整个外表面上的足够的热保护且有利地为最小的电磁保护。
[0016]
可选地，本发明可以进一步表现出至少以下任何特征：
[0017]
有利地，所述mcp是固/液过渡mcp。
[0018]
本发明的另一方面涉及如上所述的装置在电子模块的热和电磁管理中的用途，所述电子模块构造成控制用于道路车辆的致动器或传感器。
附图说明
[0019]
本发明的目的、对象以及特征和优点将从对本发明的实施方式的详细描述中更好地得到，该实施方式由以下附图示出，在附图中：
[0020]
图1示出了根据本发明的热和电磁管理装置。
[0021]
图2a至图2f示出了用于制造根据图1的装置的可能组装步骤。
[0022]
图3示出了根据图1的根据本发明的装置的立体图，其中示出了尺寸。
[0023]
附图是作为示例给出的并且不限制本发明。它们构成旨在便于理解本发明的原理示意图，并且不一定按实际应用的比例。
具体实施方式
[0024]
在开始对本发明的实施方式进行详细审查之前，以下列出了可选特征，这些可选特征可以可选地以组合或替代方式使用。
[0025]
有利地，定位系统是金属的，以便保持装置的电磁保护。
[0026]
有利地，保护壳体有利地是廉价的易于成形并耐受应用温度的材料。
[0027]
有利地，电子模块包括布置在保护壳体和电子模块之间的介电流体或tim(thermal interface material，导热界面材料)类型的热界面材料，其构造成确保电子装置和保护壳体之间的热传递。
[0028]
有利地，定位系统固定在电子模块上，这便于系统的安装处理。
[0029]
有利地，定位系统包括至少三个突出部，该至少三个突出部配置成阻止电子模块在外壳上接触。
[0030]
有利地，相变材料是固/液相变材料。固/液相变的焓最大，这允许对电子装置的温
度进行最佳管理，并且更具体地，对电子模块进行最佳热保护。
[0031]
有利地，外壳包括用于管理mcp在相变时的膨胀的系统。有利地，外壳构造成变形以吸收mcp的体积变化。因此，有利的是选择在相变时表现出低膨胀的金属mcp。
[0032]
有利地，相变材料选择成具有介于50℃和200℃之间、优选介于110℃和150℃之间的熔融温度。
[0033]
所选择的相变材料是包括锡和铋的二元共晶物，优选为42％的锡和58％的铋，有利地，该二元共晶物的熔融温度为138℃。
[0034]
有利地，电子模块包括贯穿外壳的电连接装置，该外壳包括用于确保外壳相对于mcp密封的密封贯穿通道。有利地，外壳由高温塑料制成，例如pps或pbt。这种类型的塑料具有非常好的质量/价格比。外壳构成绝缘体，其厚度是可以允许限制待储存在mcp中的热流的参数。密封贯穿通道可以有利地通过例如的密封贯穿件来确保。
[0035]
有利地，该装置包括用于将连接装置折叠在自身上的折叠系统，该折叠系统布置在外壳中，以便在贯穿通道和电子模块之间折叠连接装置。连接装置的折叠系统有利地由金属制成，以确保电磁屏蔽的连续性。电连接线是金属的，与mcp的直接接触从理论上说不是期望的，并且可能需要绝缘护套，因此在电磁屏蔽中不可避免地产生开口。通过迫使连接线绕行，使该贯穿通道对屏蔽效率的影响受到限制，仅允许干扰以多次反射为代价通过该开口并因此允许减弱干扰。
[0036]
有利地，电子模块的电子装置包括电子卡，该电子卡构造成控制用于热力发动机的egr(recyclage des gaz d'
é
chappement，废气再循环)阀。
[0037]
电子装置是指用微电子装置实现的任何类型的装置。这些装置除了纯电子装置之外，尤其还包括微机械或机电装置(mems，nems
…
)，以及光学或光电装置(moems
…
)。
[0038]
根据本发明的装置包括电子模块1。电子模块1包括至少一个电子装置，该电子装置可以是尤其包括印刷电路10和电子组件5的电子卡。电子模块1有利地包括包围电子装置的保护壳体11。也就是说，电子装置由保护壳体11封装。保护壳体限定电子模块1的外表面，该外表面可选地在其不存在时由电子装置的表面限定。根据该实施方式，电子模块1包括介电流体或tim(thermal interface material，导热界面材料)类型的热界面材料，以允许由电子装置的自发热产生的热量热传导到电子模块1的外部，尤其是下文所述的mcp 3。例如，介电流体或tim类型的热界面材料选自导热油、热油脂、硅树脂热界面材料或固体空间填充物。
[0039]
根据本发明的装置包括旨在收纳至少一个电子模块1的外壳2。参照外壳2中的电子模块1进行描述，然而本发明还可以涉及包含多个电子模块1的外壳2。外壳2限定封闭的内部容腔。外壳2包括基座12和用于封闭基座12的盖9，如图2所示。基座12包括底部13和边缘14。外壳2有利地是流体(液体和气体)密封的。外壳2有利地由耐受电子模块的使用温度的材料制成。例如，外壳2由诸如聚苯硫醚(pps)的塑料材料制成，其是具有高温机械性能和极高耐化学性的高性能半结晶工程塑料或聚对苯二甲酸乙二醇酯，缩写为pbt，其是聚酯家族的半结晶热塑性塑料。
[0040]
有利地，为了保持电磁屏蔽，外壳2不具有任何大于希望受到保护的最小波长的值的开口。
[0041]
外壳2具有影响应由根据本发明的装置储存的热流的厚度。例如，外壳的壁的厚度
介于0.5mm至3mm之间，更确切地为1mm的数量级。
[0042]
根据本发明的装置包括相变材料3(mcp)。mcp 3包含在外壳1中。电子模块1嵌入在mcp 3中。嵌入是指mcp 3覆盖电子模块2，有利地在其所有表面上，并且优选地除了与定位系统的一个或多个接触点之外。电子模块3有利地在所有方向上都由mcp 3覆盖。电子模块1的整个外表面，特别是保护壳体11的整个外表面与mcp 3接触。根据本发明的装置构造成使电子模块1被封装在mcp 3中。
[0043]
根据本发明，mcp 3是金属或金属合金。“金属合金”是指mcp 3包括多个金属mcp。在说明书的下文中，对mcp 3的引用不是限制性的。由金属合金形成的mcp 3是共晶的。mcp 3构造成确保电子模块1周围的金属体积连续。有利地，mcp 3的容腔中的任何内含物或镂空部都是金属的。
[0044]
根据本发明的mcp 3是固/液过渡mcp。可以使用不同的金属mcp。为了应用于电子装置，更具体地例如应用于电子卡，所使用的mcp 3具有约为50℃至200℃、更具体地为110℃至150℃的熔融温度。优选地，mcp3具有良好的热容量和尽可能高的导热率。
[0045]
例如，mcp是包括锡和铋的金属合金。优选地，铋占合金总重量的重量百分比为58％，锡占合金总重量的重量百分比为42％。该共晶mcp具有138℃的熔融温度。
[0046]
mcp 3是优选为固态和液态的两相材料，其在这两相之间的通道储存或释放能量。优选地，从第一相转移到第二相将需要热量，因此该热量在其第二相中储存在mcp中。相反，从第二相转移到第一相是放热的并且释放所储存的热量。相变焓与材料的明显能量变化相比相对较大。因此，具有mcp的系统是令人关注的，因为每单位体积(和质量)所储存的能量大于敏感系统所获得的能量(更好的储存密度)。结果，减少了储存量和材料量，这降低了系统成本。
[0047]
mcp 3将储存其环境的热量。在根据本发明的装置中，mcp储存由电子模块1由于自发热而产生的热量、以及外部环境的热量，例如在汽车领域中的应用的情况下热力发动机的热量。mcp 3将通过储存显热来储存能量直到达到其熔融温度。此时，mcp 3的相变强烈吸热，并通过储存潜热来储存热量，从而允许将电子模块保持在低于其最大工作温度的温度下。除了其熔融温度，mcp 3可以通过储存显热来继续储存热量。
[0048]
当外部环境的温度低于其自身温度时，mcp 3重新分配所储存的热量。然后，mcp 3通过放热变换来改变相位。当电子模块1的温度低于mcp的温度时，mcp 3还向电子模块1重新分配所储存的热量，但有利地也向电子模块1重新分配所储存的热量。这允许避免在电子模块1处的过大和/或过快的温度变化，并因此允许电子模块的热管理。
[0049]
因此，mcp 3允许确保电子模块1的热管理。另外，金属mcp 3的选择允许同时确保电子模块1的电磁保护。
[0050]
mcp 3的固/液相变化伴随着mcp 3的体积变化。该体积变化有利地使用金属mcp 3而很小(特别是使用所选择的合金，该合金的变化由于存在铋而几乎为零，铋的体积变化与大多数材料(例如水)不同，这抵消了锡的变化)。
[0051]
根据本发明的一个实施方式，该装置包括用于管理mcp 3的膨胀的系统。根据第一种优选可能性，外壳2构造成接受对应于mcp 3的体积膨胀的变形。根据第二种可能性，外壳2包括气体顶板，该气体顶板构造成在mcp 3的体积膨胀时被压缩，外壳2构造成接受其内部容腔中的压力增加。气体顶板有利地构造成不使mcp 3退化。根据第三种可能性，外壳2包括
气体顶板，并且在其盖9处包括一个开口或多个开口。根据一个实施方式，该一个开口或该多个开口的尺寸较小，有利地小于应由电磁屏蔽阻挡的波长的值。这些开口允许释放气体顶板而不会增加外壳2的内部容腔的压力。仅在根据本发明的装置旨在始终保持水平以避免mcp 3泄漏的情况下，才可以设想该第三种可能性。
[0052]
根据本发明，该装置包括用于将电子模块1定位在外壳2中的定位系统。无论mcp 3的状态如何，该定位系统都允许确保电子模块1在外壳2中的恒定位置，以确保热和电磁保护。实际上，当mcp 3处于液态时，定位系统允许保持嵌入在mcp 3中的电子模块1，而不会冒着电子模块1与外壳2接触的风险，这会减少甚至破坏热和电磁保护。
[0053]
定位系统有利地是金属的，以便允许电磁屏蔽。例如，定位系统由钢制成。根据附图中所示的一个实施方式，定位系统包括三个金属突出部4，该三个金属突出部4布置在外壳2和电子模块1之间，以便在电子模块1和外壳2之间保持空间。定位系统可以包括叶片、弹簧、垫片、刚性线、杆中的至少一个，或者这些元件中的两个或更多个的组合。根据一种可能性，突出部4仅固定在电子模块1上。突出部4没有固定在外壳2上，这允许便于管理mcp 3的膨胀，特别是通过外壳2。
[0054]
根据本发明的装置，电子模块1有利地包括电连接装置6，该电连接装置6将电子模块1连接到其他构件，特别是由电子模块控制的构件。电连接装置6包括至少一根电线或电缆。电线或电缆有利地是柔性的。作为优选的例子，连接装置6具有0.1mm至3mm的直径。外壳2有利地构造成允许连接装置6在其内部容腔和外部环境之间通过。外壳2优选地包括贯穿通道8。贯穿通道8和一根或多根连接线的特性选择成保持绝缘体(使mcp与连接线绝缘的连接线周围的塑料护套)的特征长度小于波长。贯穿通道8形成在盖9上或外壳的基座12上。优选地，贯穿通道8是流体密封的，并且特别是对mcp 3是密封的，并且这尤其是在贯穿通道8形成在外壳2的基座12上的情况下。密封性可以通过特别是商标的密封贯穿件或通过胶合来确保。
[0055]
根据本发明的装置有利地包括用于将连接装置6折叠到自身上的折叠系统。折叠系统布置在外壳2中在贯穿通道8和电子模块1之间，并且允许将连接装置6以弯曲形式保持在贯穿通道8和电子模块1之间，例如在自身上折叠，特别是以折流板形式，以通过限制甚至阻止波的传播来保持电磁屏蔽。实际上，弯曲的形状限制电磁波通过mcp和一条或多条导电连接线之间的间隙、即绝缘护套的传波。折叠系统有利地是与定位系统相同的类型。折叠系统有利地由金属制成，例如钢。可以设置连接装置6的固定或夹紧突出部7。
[0056]
根据一个优选实施方式，特别是在图1和图3中示出，mcp 3在其所有尺寸上以mcp的恒定厚度ep1围绕电子模块1，例如ep 1约为1mm至10mm，更具体地约为3mm。根据一种优选可能性，mcp 3的厚度在连接装置6的折叠系统处更大，以确保将连接装置6良好地嵌入到mcp 3中。例如，该厚度ep2为5mm。为了限制附加成本，折叠系统有利地布置在外壳2的边缘14上。
[0057]
本发明还涉及一种如下所述的根据本发明的装置的组装方法。组装方法包括以下步骤，如图2a至图2f所示，并在下面进行描述。
[0058]
图2a所示的外壳2由基座12形成，该基座12包括底部13和边缘14。外壳包括限定内部容腔的壁。外壳2有利地由单个块模制或加工而成。
[0059]
如图2b所示，有利地密封的贯穿通道8放置在外壳2上，例如在边缘14上。贯穿通道
8允许使连接装置6穿过外壳2。因此，有利地在外壳2的边缘14中的一个上形成开口，并且通过使连接装置6穿过该开口而将密封的横穿件有利地放置在该开口中。
[0060]
定位系统放置就位。有利地，定位系统的突出部4尤其通过焊接而固定在电子模块1上。连接装置6的折叠系统也放置就位。优选地，如图2c所示，固定突出部7固定在电子模块1上。
[0061]
连接装置6连接到电子模块1。有利地，如图2c所示，电线的连接件焊接到电子装置上或保护壳体11上，如果保护壳体11存在的话。
[0062]
电子模块1放置在外壳2中，特别是在由外壳2的基座12限定的内部容腔中。如图2d所示，定位突出部4有利地与外壳2接触。
[0063]
如图2e所示，将mcp 3优选以液相引入到外壳2中。
[0064]
外壳2的盖9放置就位以使外壳2封闭。盖9有利地热焊接到外壳2的基座12。
[0065]
实施例
[0066]
根据一个实施例，所选的应用例是致动器，该致动器在介于110℃和150℃之间的循环环境中工作，直流电动机产生2w至4w的功率，并且自发热为1℃至5℃。
[0067]
这种致动器例如是用于热力发动机的egr阀的致动器。致动器集成了电子控制卡，该电子控制卡的温度局部不应超过150℃。该卡受到三种热攻击：
[0068]
－致动器的外部环境(在车辆发动机罩下，靠近热力发动机)，其温度根据发动机转速在110℃和150℃之间波动(爬坡时通常会达到150℃的温度)。尺寸类型分布考虑的是110℃下30分钟的循环，然后爬坡15分钟达到150℃，然后在150℃下保持30分钟，最后在15分钟内降至110℃。这种类型的循环有利于mcp的使用，因为它在两个热削峰需要之间留出一个固化范围(用于将热量从mcp中带走)。
[0069]
－直流电动机产生的功率为0至50w，其中一部分会加热电子卡。
[0070]
－电子卡的自发热(电子卡各组件的自发热功率为0至10w)。
[0071]
所选择的mcp：当热力发动机处于150℃且直流电机工作时，为了使电子卡上的温度不超过150℃，应能够吸收热量，当热力发动机处于110℃时，该热量会从装置中释放。因此，所选择的mcp 3应具有介于110℃和150℃之间的熔融温度。
[0072]
mcp 3是包括42％sn－58％bi的共晶，其具有以下主要特征：
[0073]
－熔融温度：138℃
[0074]
－熔融质量焓：44.8j/g
[0075]
－密度：8560kg/m3[0076]
－储存密度：106.5kw.h/m3。从这个角度来看，这实际上是一个非常好的mcp。
[0077]
－相变时的体积膨胀<1％
[0078]
－导热率：30w/m/k。在电子模块自发热的情况下可以允许令人关注的散热功能。
[0079]
－电阻率：σ＝1.25e-6siemens/m。(即，相对电阻率σr＝0.021)
[0080]
－相对磁导率：μr＝1。从相对电阻率和相对磁导率的观点来看，共晶42％sn和58％bi与不锈钢的特性非常接近，这使其成为非常令人满意的电磁屏蔽材料。
[0081]
根据本发明的装置的详细尺寸
[0082]
在我们的应用例中，电子模块1具有以下尺寸(如果要避免mcp 3/电子组件5接触，则具有其部件和可能的保护壳体11)：
[0083]
－高度hm 10mm
[0084]
－长度lm 50mm
[0085]
－宽度lm 50mm
[0086]
从几何学的角度来看，电子卡接收热能，它从所有方向受到热“攻击”：在上方和在侧部，电子卡非常靠近发动机罩下的局部环境，在下方，电子卡接收直流电机的通量。将mcp 3布置在整个电子卡周围允许在所有方向上保护电子卡。
[0087]
有利地，所选择的mcp的厚度ep1在所有侧部均为3mm。优选地，包含连接装置6的侧部具有mcp的更大的厚度ep2，有利地为5mm。连接装置6的电线是挠性的，具有0.75mm2的电线通过截面，即包括护套的电线直径接近1mm。
[0088]
连接装置6的定位突出部4和固定突出部7是直径为2mm的铁圆筒。外壳2由pps制成。
[0089]
外壳被认为足够柔性，以吸收mcp 3相变时1％的体积膨胀。
[0090]
围绕电子模块1的mcp(42％sn－58％bi)的体积为27cm3，或336g的mcp 3，或相变时的能量吸收能力为10.5kj(3w.h)。
[0091]
使用其他mcp进行的fluent计算和实验测量表明，这种能量吸收水平足以显著改善经受环境温度循环以及由直流电动机释放的功率的电子卡的热负荷(但是未显示自发热)。
[0092]
另外，使用这种3mm厚度的共晶42％sn-58％bi获得的屏蔽计算如下：
[0093]
假设：
[0094]
－远场中的无限平面波
[0095]
－忽略连接线的影响(由于折流板)
[0096]
－忽略多次反射(对于屏蔽厚度大于皮肤厚度的情况属实)
[0097]
吸收项：
[0098]
－皮肤厚度：[算式1]
[0099]
－以分贝为单位的衰减：[算式2]mcp厚度以mm为单位。
[0100]
反射项：
[0101]
－以分贝为单位的反射效果：[算式3]
[0102][0103]
总体上，根据频率获得的衰减如下：
[0104]
[表1]
[0105][0106][0107]
衰减适用于所有非常高的频率，从而验证了电磁屏蔽的功能。
[0108]
本发明不限于上述实施方式，并且扩展到由权利要求书覆盖的所有实施方式。
[0109]
附图标记说明
[0110]1ꢀꢀꢀ
电子模块
[0111]2ꢀꢀꢀ
外壳
[0112]3ꢀꢀꢀ
相变材料
[0113]4ꢀꢀꢀ
定位突出部
[0114]5ꢀꢀꢀ
电子组件
[0115]6ꢀꢀꢀ
连接线
[0116]7ꢀꢀꢀ
连接线的固定突出部
[0117]8ꢀꢀꢀ
密封通道
[0118]9ꢀꢀꢀ
盖
[0119]
10
ꢀꢀ
印刷电路
[0120]
11
ꢀꢀ
保护壳体
[0121]
12
ꢀꢀ
基座
[0122]
13
ꢀꢀ
底部
[0123]
14
ꢀꢀ
边缘
[0124]
hm
ꢀꢀ
电子模块高度
[0125]
lm
ꢀꢀ
电子模块长度
[0126]
lm
ꢀꢀ
电子模块宽度
[0127]
he
ꢀꢀ
外壳高度
[0128]
le
ꢀꢀ
外壳长度
[0129]
le
ꢀꢀ
外壳宽度
[0130]
ep1 mcp厚度
[0131]
ep2 mcp厚度