Article

1 - PROBLÉMATIQUES LIÉES À LA THERMIQUE DANS LES SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES

2 - SOLUTIONS DE GESTION THERMIQUE DES SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES PAR CHANGEMENT DE PHASE LIQUIDE-VAPEUR

3 - COMPARAISON DES TECHNOLOGIES DIPHASIQUES AVEC CERTAINES TECHNOLOGIES CONVENTIONNELLES

4 - SYMBOLES ET INDICES

Article de référence | Réf : E3955 v1

Refroidissement de l’électronique par changement de phase liquide-vapeur

Auteur(s) : Jocelyn BONJOUR, Frédéric LEFEVRE, Valérie SARTRE, Bruno ALLARD

Date de publication : 10 juin 2023

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RÉSUMÉ

La gestion thermique des systèmes électroniques constitue un enjeu crucial dans de nombreux secteurs industriels. Malgré les efforts déployés pour améliorer les systèmes de refroidissement traditionnels, les températures atteintes au cœur des composants peuvent excéder les limites acceptables. Les solutions basées sur le changement de phase liquide-vapeur sont capables de relever ce défi. Après avoir présenté les problématiques liées à la thermique dans les systèmes électroniques, cet article décrit les solutions technologiques de refroidissement diphasique, puis expose une étude de cas permettant de comparer les performances de ces technologies avec des technologies plus conventionnelles.

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ABSTRACT

Cooling of electronics by liquid-vapour phase change

Thermal management of electronic systems is a critical issue in many industries. Despite efforts to improve traditional cooling systems, the temperatures reached in the core of components can exceed acceptable limits. Solutions based on liquid-vapour phase change are able to meet this challenge. After presenting the issues related to heat in electronic systems, this article describes the technological solutions for two-phase cooling and then presents a case study to compare the performance of these technologies with more conventional technologies.

Auteur(s)

  • Jocelyn BONJOUR : Professeur des Universités - CETHIL, Villeurbanne, France

  • Frédéric LEFEVRE : Professeur des Universités - CETHIL, Villeurbanne, France

  • Valérie SARTRE : Maître de Conférences - CETHIL, Villeurbanne, France

  • Bruno ALLARD : Professeur des Universités - AMPERE, Villeurbanne, France

INTRODUCTION

La gestion thermique des systèmes électroniques constitue un enjeu crucial dans de nombreux secteurs industriels, en raison de l'augmentation continue de la densité des composants électroniques, due à leur miniaturisation et à l’exigence en densité de puissance globale. La densification des composants est liée à l’évolution des technologies. Par exemple, la loi empirique de Moore, et au-delà les approches More-Than-Moore, ont permis l’émergence de processeurs avec plusieurs billions de transistors par centimètre carré, dont la taille est seulement de quelques nanomètres. La conséquence directe de cette loi est une augmentation des fréquences de commutation et des densités de flux à dissiper, qui sont également de plus en plus hétérogènes. La problématique est la même pour les composants de puissance et les convertisseurs de puissance. L’émergence de nouvelles technologies, notamment celle qui utilise le nitrure de gallium, conduit aux mêmes effets ; les densités de puissance dépassent aujourd'hui localement plusieurs centaines de watts par centimètre carré. Cette situation génère la présence de points chauds et conduit à de fortes contraintes thermo-mécaniques. Malgré les nombreux efforts déployés pour améliorer les systèmes de refroidissement traditionnels, les températures atteintes au cœur des composants peuvent excéder les limites acceptables. De plus, les mécanismes de défaillance sont exacerbés par ces excursions de température. Les analyses de fiabilité montrent que la majorité des pannes actuelles dans les convertisseurs proviennent du cyclage thermique de certains composants électroniques. Par exemple, dans les domaines de l’aviation civile et militaire, les contraintes thermiques représentent aujourd'hui 63 % des sources de défaillance des circuits électroniques.

Par conséquent, le développement de solutions de refroidissement plus efficientes et compactes est un défi majeur pour les industriels. Les solutions basées sur le changement de phase liquide-vapeur sont capables de relever ce défi, car elles permettent le transfert de grandes quantités de chaleur avec une faible différence de température.

Après avoir présenté les problématiques liées à la thermique dans les systèmes électroniques, cet article décrit les solutions technologiques de refroidissement diphasique, puis expose une étude de cas permettant de comparer les performances de ces technologies avec des technologies plus conventionnelles.

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KEYWORDS

electronic component   |   heat pipe   |   boiling

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e3955


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BIBLIOGRAPHIE

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