Identification des caractéristiques d'une carte électronique et de ses composants, et modélisation de leurs comportements thermiques

Identification of the thermal parameters of an electronic board and its components, and modelling of their thermal behaviours

• Auteur / Autrice : Quentin Dupuis
• Direction : Najib Laraqi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, génie des procédés
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Paris 10
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Connaissance, langage, modélisation (Nanterre, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Thermique Interfaces Environnement (Université Paris Nanterre)
• Jury : Président / Présidente : Saïd Abboudi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Najib Laraqi, Saïd Abboudi, Tahar Loulou, François Lanzetta, Pablo Escot Bocanegra, Jean-Gabriel Bauzin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tahar Loulou, François Lanzetta

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composants électroniques

Modèles mathématiques

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Modélisation thermique

Cumulative structure function

Méthodes inverses

Identification de sources de chaleur

Identification de paramètres thermiques

Thermal modelling

Cumulative structure function

Inverse methods

Heat source identification

Thermal parameters identification

Résumé

Le travail développé dans cette thèse est une contribution à l’identification via des mesures expérimentales des paramètres critiques pour la modélisation thermique d’une carte électronique et de ses composants. Dans une première partie, l’étude de l’évolution temporelle de la température de jonction d’un composant électronique soumis à une puissance thermique constante est proposée, ceci à partir de l’analyse graphique de sa Cumulative Structure Function. La présentation détaillée de toutes les étapes dans la construction de cette dernière est réalisée, ainsi que l’analyse des différents paramètres sensibles. L’identification de manière absolue des paramètres thermiques des différents matériaux d’un composant électronique est irréalisable. Néanmoins une étude relative permettant le calibrage de son modèle numérique détaillé est présentée. La seconde partie de cette thèse est consacrée à l’identification par méthodes inverses des caractéristiques d’un composant encastré au sein d’une carte électronique, à savoir sa position, ses dimensions et la puissance thermique qu’il dissipe. Pour atteindre cet objectif, un modèle numérique 3D basé sur la méthode des volumes finis a été implémenté, pour calculer en régime transitoire les transferts de chaleur par conduction qui s’établisse au sein de la structure d’étude. L’algorithme des gradients conjugués avec calcul de la variable adjointe est utilisé pour estimer les puissances thermiques volumiques dissipées, tandis que son couplage avec une fonction de minimisation unidimensionnelle permet d’identifier la position des sources de chaleur dans la profondeur de la structure. L’application de cette procédure à partir de données issues de simulations numériques ainsi que des mesures expérimentales ont permis de valider la méthode d’inversion.

The work presented in this thesis is a contribution to the identification via experimental measurements of critical parameters for the thermal modelling of an electronic board and its components.First, the study of the temporal evolution of the junction temperature of an electronic component stimulated by a constant thermal power is proposed, based on the graphical analysis of its Cumulative Structure Function. All the steps involved in the construction of this function are presented in detail, together with an analysis of the various sensitive parameters. Absolute identification of the thermal parameters of the different materials of an electronic component is not feasible, but a relative study is presented to enable the calibration of its detailed numerical model.The second part of this thesis is devoted to the identification, using inverse methods, of the characteristics of a component embedded in an electronic board, namely its position, its dimensions, and its dissipated thermal power. To achieve this objective, a 3D numerical model based on the finite volume method was implemented to calculate the transient conductive heat transfer within the structure of study. The conjugate gradient algorithm with adjoint variable calculation is used to estimate the dissipated heat power density, while its coupling with a one-dimensional minimisation function permits to identify the position of the heat sources according to the depth of the structure. The application of this procedure to data from numerical simulations and experimental measurements has enabled to validate the inversion method.