Systèmes diphasiques pour le contrôle thermique de l'électronique de puissance

 

 

SOCIETE FRANÇAISE DE THERMIQUE


Groupe «Transferts en milieux polyphasiques »
Journée Thématique organisée par : Valérie Sartre, Bruno Allard

 

Jeudi 29 mars 2018

(Accueil à partir de 9h)
à
IRT Saint-Exupéry, 118 route de Narbonne - 31432 Toulouse Cédex 4
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"Systèmes diphasiques pour le contrôle thermique de l’électronique de puissance"

Programme de la journée

 

 

 

Contacts : Valérie Sartre (CETHIL, Villeurbanne), 04 72 43 81 66, valerie.sartre@insa-lyon.fr
Bruno Allard (AMPERE, Villeurbanne), 04 72 43 87 26, bruno.allard@insa-lyon.fr

 

Résumé des débats

 

B. Allard s’interroge si les thermiciens prennent en compte l’encombrement, la masse et le temps de démarrage du système diphasique dans l’évaluation de leurs performances. Calyos estime que de choix de ces paramètres dépend du profil de mission. En effet, la présence d’une masse métallique est intéressante dans certains cas, car elle permet d’introduire une inertie thermique capable de lisser les pics de température. Le temps de démarrage augmente avec l’inertie thermique du dispositif de refroidissement (donc sa masse), mais il dépend également du taux de remplissage en fluide. Calyos remarque que le problème de l’overshoot en température au démarrage ne se pose pas pour les caloducs classiques, mais seulement pour les LHPs. De ce fait, dans les satellites, les LHPs sont démarrées avant les composants, qui ne sont mis en marche que si les systèmes de refroidissement fonctionnement correctement. Le CNES signale qu’une absence de démarrage traduit un problème de conception du caloduc.

L. Dupont s’interroge sur les performances des systèmes de refroidissement en termes de durée de vie, de robustesse et de résistance à l’encrassement. Pour le CNES, la durée de vie est liée à la génération de gaz incondensables dans l’enceinte du caloduc (due aux réactions chimiques entre le fluide et les matériaux de l’enveloppe ou de la structure capillaire) dont la présence réduit les performances thermiques dans les premières années de la vie du système. Après cette période transitoire, la résistance thermique se stabilise à une valeur constante. Les fuites résiduelles de fluide sont une autre cause de la diminution des performances du caloduc, compensées préventivement par une surcharge en fluide lors du remplissage initial.

Calyos rappelle l’importance du choix du couple fluide/matériau dans la génération de gaz incondensables, ainsi que du procédé de nettoyage de l’enveloppe du caloduc. Il n’existe pas de norme de conception à l’heure actuelle ; les incompatibilités sont déterminées empiriquement, au moyen d’éprouvettes de vieillissement. Certains couples incompatibles sont bien connus (par exemple, eau/aluminium). La production de gaz augmente avec la température, et peut s’avérer gênante à partir d’un certain niveau de température. Ainsi, se pose la question d’une procédure de test qui permettrait de faire du vieillissement accéléré. Une telle procédure n’existe pas actuellement.

Atherm effectue des tests de vieillissement durant une semaine, avec des couples matériaux/fluides dont la compatibilité est reconnue. Les caloducs sont vendus pour les applications ferroviaires, et doivent avoir des durées de vie de 30 ans. La société n’a pas constaté de retour de la clientèle dû à une réduction des performances thermiques de ses caloducs.

La question alors soulevée concerne la conception des futurs systèmes électroniques utilisant des parties actives à grand gap, pour lesquelles les densités de flux à dissiper évolueront de 100 à 1000 W/cm². Un travail commun serait nécessaire pour parvenir à une bonne efficacité thermique et une bonne fiabilité de ces composants. Calyos reconnaît qu’actuellement, électroniciens et thermiciens conçoivent les produits indépendamment. Le système de refroidissement est simplement plaqué sur le composant via un matériau d’interface thermique, dont la résistance thermique est telle qu’elle dégrade les performances du système complet. L. Dupont s’interroge sur la méthode actuelle de refroidissement, qui n’utilise qu’une seule face, alors qu’un refroidissement selon toutes les directions serait a priori envisageable. Le CNES fait part de difficultés de compréhension entre les deux communautés. Les données thermiques sur les composants à grand gap, en termes de densités de flux, de températures maximales et de taille, sont difficiles à obtenir, voire contradictoires.

Alors que logiquement, les thermiciens devraient prendre en charge la thermique du composant au niveau de la partie active, ils manquent d’informations utiles sur le matériau multicouche situé entre la puce et la semelle. Des avancées notables seraient possibles si les thermiciens avaient accès à la géométrie et à la composition de ce matériau. Il est signalé que les composants électroniques sont fabriqués par des oligopoles, qui ne livrent pas leurs données et avec lesquelles toute collaboration semble exclue.

Les verrous scientifiques à lever doivent tenir compte des questions économiques. Actuellement, l’industrie électronique n’est pas prête de modifier ses technologies car elle a investi des sommes colossales dans les lignes de production des composants actuels. Pour amener ces sociétés à changer, il faudrait être en mesure de montrer qu’elles pourraient perdre des parts de marché. Cependant, avec la croissance du marché du véhicule électrique, il pourrait y a voir des opportunités du côté de l’industrie automobile. Si la communauté scientifique propose une solution innovante et particulièrement efficace de composant électronique associé à un système de refroidissement, il serait envisageable d’intéresser l’industrie électronique. Les parties actives, qui sont les plus onéreuses, ne sont pas fabriquées en France. Par contre, on trouve des plates-formes technologiques françaises qui pourraient intégrer des parties actives dans les composants électroniques. B. Allard informe qu’en 1996, un consortium allemand (dont BMW faisait partie) a reporté directement les puces sur le système de refroidissement. Pourquoi ne pourrait-on pas faire de même en France ?

Une discussion s’engage également sur le pilotage du système de refroidissement, qui idéalement, doit être capable de s’adapter aux besoins du composant électronique. Certains systèmes diphasiques (par exemple, le caloduc à conductance variable) sont aptes à assurer une régulation de température en fonction du flux dissipé. En assurant le niveau de pression fixe dans l’enceinte, qui détermine la température de saturation, la température de paroi en contact avec le composant peut être contrôlée. La constante de temps, due à la présence d’une paroi, est de l’ordre de quelques secondes.

Il s’avère cependant que cette constante de temps est bien supérieure à celles rencontrées dans l’électronique, où les échelles sont de l’ordre de la microseconde. Dès lors, on peut se poser la question d’un refroidissement par immersion dans le fluide diphasique, qui supprimerait la présence des parois. Une telle technologie était utilisée par la société Alsthom dans les années 1980 - 1990, pour les TGV. Elle a été  abandonnée au profit d’un ensemble de caloducs interposés dans la pile de composants, en raison de difficultés de maintenance (chaque défaillance d’un seul composant nécessitait la vidange complète de la cuve de fréon, sa mise sous vide et son remplissage).

B. Allard note, au sein du programme européen CLEANSKY, l’absence de technologies en rupture avec l’existant. Il a été informé de l’existence d’importants crédits européens, issus d’un reliquat du programme H2020, qui doivent être engagés dans les deux années à venir. Il soumet donc à la communauté des thermiciens l’idée d’un projet commun utilisant ces fonds. C. Colin fait part de son expérience concernant le montage et la coordination de projets européens, qui requiert l’embauche à temps plein durant 4 ans d’un ingénieur dédié au management du projet.

Les participants ont exprimé leur intérêt pour cette journée de discussion,  forcément trop courte pour déboucher sur des actions concrètes. Ces actions, notamment en vue d'élargir un GT du GdR SEEDS avec la présence d'experts thermiciens et ensuite une ou des propositions à des APP, sont  à formaliser rapidement au sein d'un petit groupe de réflexion.