Conception et réalisation de fonctions thermiques intégrées dans le substrat de composants électroniques de puissance : apport de la gestion des flux thermiques par des mini et micro caloducs

Design and realisation of the integrated thermal functions in the power component substrates : micro heat pipes for the heat flux management.

• Auteur / Autrice : Mariya Ivanova
• Direction : Christian Schaeffer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Grenoble INPG
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrotechnique (Grenoble1980-2006)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Favre-Marinet, Jean-Louis Sanchez, Jean-Pierre Chante, Charlotte Gillot, Élise Fournier

Résumé

Les modules de puissance ont tendance à devenir de plus en plus compacts et ceci engendre une augmentation significative des densités de flux à évacuer. Un refroidissement plus performant est devenu impératif. Pour la conception optimale d'une fonction de puissance, les contraintes électriques et thermiques ne peuvent pas être traitées séparément. Les caloducs plats présentent un intérêt certain lorsque les applications visées intéressent le domaine spatial où les critères de masse, d'encombrement et d'isolation électrique sont primordiaux. Un caloduc est un système qui, grâce à un changement de phase d'un fluide caloporteur, prélève la chaleur d'un point et la transporte vers un autre, sans utiliser de pompe ou d'autre artifice mécanique. Dans un premier temps, des études théoriques et expérimentales ont été conduites pour concevoir et réaliser de micro caloducs en silicium. Deux types de réseaux capillaires ont été étudiés. Le premier est constitué de rainure axiales réctangulaures et le second de rainures radiales. La seconde partie des travaux consiste l'étude de conception, de réalisation et de caractérisation des caloduc integrés dans un substrat DBC (Direct Bonded Copper). L'ensemble de ces travaux a montré tout l'apport des mini et micro caloducs dans la gestion thermique des systèmes électroniques.

The power modules tend to become more compact and this generates a significant increase in the dissipated heat flux densities. A powerful cooling becomes imperative. For the optimal design of a power function, the electric and thermal constraints cannot be treated separately. The flat heat pipes present a interesting solution when the applications concern the space field where the criteria of mass, and electric insulation are of primary importance. The heat pipe is a system which, thanks to a phase shift of a coolant, takes the heat of one point and transports it to another, without using of pump or another mechanical artifice. Initially, theoretical and experimental studies were led to design and realize silicon micro heat pipes. Two types of capillary structure were studied. The first one consists of rectangular axial grooves and the second one of radial grooves. The second part of this work consists of design, realization and characterization of the heat pipe integrated in a DBC (Direct Bonded Copper) substrate. The whole work showed ail the contribution of pipes in the thermal management of the electronic systems.