I.3 Les systèmes de refroidissement miniaturisés
I.3.3 Les micro-boucles diphasiques à pompage capillaire
Ce système, encore en phase de recherche et de développement, présente les mêmes avantages qu’avaient les boucles diphasiques de taille conventionnelle par rapport aux caloducs. En effet, le transport de la chaleur peut se faire sur des distances plus importantes et, les lignes liquide et vapeur étant séparées, l’intégration architecturale de ces systèmes apparaît beaucoup plus souple que pour les micro-caloducs.
Dans ce paragraphe, nous allons détailler les micro-boucles diphasiques à pompage capillaire, de leur principe de fonctionnement à leur fabrication.
I.3.3.1 Fonctionnement
Le principe de fonctionnement est basé sur le même principe que pour les systèmes de refroi- dissement passifs cités précédemment.
FIG. I.12: Micro-boucle diphasique à pompage capillaire [25].
L’évaporateur, constitué de plusieurs canaux en parallèle dont les diamètres hydrauliques peu- vent être de quelques microns à quelques dizaines de microns, est en contact avec le composant électronique à refroidir. A ce niveau, le liquide se vaporise grâce à l’absorption du flux de chaleur dégagé par ce composant. Cela crée des ménisques dans les micro-canaux, maintenus grâce aux forces de tension de surface. La vaporisation provoque simultanément le pompage du fluide et le
mique avec la source froide se liquéfie. Comme pour les boucles diphasiques de taille métrique, le réservoir permet d’absorber les fluctuations de pression et l’expansion du fluide durant le fonc- tionnement de la micro-boucle, notamment pendant les phases instationnaires (démarrage, sauts de puissance appliquée, etc.). Le réservoir fixe également les conditions de saturation du fluide à l’évaporateur et au condenseur.
Dans ce type de système, le dimensionnement du condenseur s’avère crucial. Il doit répondre à des critères de compacité, limiter les pertes de charge et ne pas compromettre par ses instabilités intrinsèques la stabilité de la boucle complète. La condensation d’un fluide dans des micro-canaux fait l’objet de diverses études au laboratoire [1,26] abordant ces différents aspects qui ne seront pas repris dans cette partie. Le travail présenté par la suite concerne uniquement les phénomènes liés à la vaporisation au sein de l’évaporateur.
Le paragraphe suivant décrit le design et la fabrication de ces systèmes.
I.3.3.2 Design et procédés de fabrication
Tels qu’ils ont été proposés au départ, ces systèmes sont entièrement gravés sur un même substrat (fig. I.12). On retrouve les différents éléments mentionnés précédemment, à savoir un évaporateur, un condenseur et des lignes liquide et vapeur. L’évaporateur est constitué de plusieurs canaux de dimensions micrométriques en parallèle.
FIG. I.14: Fabrication des canaux dans le substrat [25].
La figure I.13illustre le design de la micro-boucle développée à Berkeley [25]. L’évaporateur, le condenseur, le réservoir et les lignes liquide et vapeur (en blanc sur le croquis de la figure I.13) sont creusés dans un substrat en silicium. Les mèches (en gris sur le croquis) sont gravées dans un couvercle en quartz. Le quartz remplace le verre à cause du process de fabrication qui nécessite de travailler à hautes températures.
Ces micro-systèmes nécessitent de nouveaux procédés de fabrication appropriés. La fabrication se fait par gravure plasma de tranchées [25]. Les différentes étapes sont illustrées sur la figure I.14 pour le substrat en silicium. Il s’agit d’une gravure physico-chimique, car elle met en jeu à la fois un bombardement ionique, énergie mécanique, et une réaction chimique entre le gaz ionisé et les surfaces de l’échantillon. Les atomes du gaz réagissent avec les atomes de l’échantillon pour for- mer une nouvelle espèce volatile qui sera évacuée par le groupe de pompage. On parle de gravure ionique réactive (ou Reactive Ionic Etching) ou encore de gravure sèche car se déroulant au sein d’un plasma. En utilisant une résine photosensible, certaines zones peuvent être protégées : ce sont des masques. La gravure ne concerne alors que les zones non protégées. Le procédé de transfert d’un masque vers la plaquette s’appelle photolithogravure.
Les chercheurs de l’Université de Berkeley ont donné les premières descriptions de design ainsi que des premiers résultats concernant le fonctionnement d’un tel système. Numériquement, ils montrent que ces micro-boucles peuvent extraire des flux de chaleur pouvant atteindre 4 W avec un évaporateur ayant une surface de 2 mm2 et une longueur de ligne liquide de 35 mm.
Cependant, leur résultats expérimentaux montrent un comportement instable de la micro-boucle, et il apparaît que les changements de phase ne se font pas aux endroits attendus. En effet ils se produisent dans les lignes liquide et vapeur ce qui stoppe le fonctionnement normal de la boucle, réduit considérablement les performances et compromet sa fiabilité. Une explication possible de ce fonctionnement anormal peut sans doute être trouvée en analysant les phénomènes de conduction au sein du substrat, et notamment de la ligne liquide vers la ligne vapeur (V.1.1).
A l’Université de Cincinnati [27], le design proposé est assez différent, et semble permettre de contourner ces dysfonctionnements. La figureI.15illustre le croquis de cette micro-boucle. Dans
FIG. I.15: Croquis de l’évaporateur de la micro-boucle développée à l’Université de Cincinnati [27].
ce cas, la micro-boucle n’est plus gravée sur un même substrat. L’évaporateur est semblable à celui d’un évaporateur plan dans une boucle diphasique métrique. Une mèche poreuse permet le pom- page capillaire du liquide. L’analyse plus poussée de ce design est cependant difficile, les auteurs ne montrant aucun résultat expérimental concernant les performances de leur système.
fonctionnement de ces systèmes. Toutes ces études, optimistes sur leurs performances, montrent cependant que de nombreuses questions subsistent. D’une part, le fonctionnement à l’échelle du système dans son ensemble doit être analysé, en particulier les effets du couplage entre l’évapo- rateur et le condenseur, ainsi que les effets de la conduction thermique dans le substrat. D’autre part et avant tout, la compréhension du fonctionnement à l’échelle de chaque composant doit être approfondie, et notamment au niveau de l’évaporateur qui joue un rôle clé dans le fonctionnement de la boucle. En particulier il apparaît qu’assez peu d’études sur le mécanisme de base interve- nant dans ces évaporateurs, c’est-à-dire sur la vaporisation en micro-canaux en configuration de pompage capillaire, ont été menées, alors qu’il existe de nombreuses publications dans une confi- guration en convection forcée [32,33,34].
La maîtrise de ces mécanismes pilotant simultanément le changement de phase et le pompage capillaire est cruciale pour ces systèmes. Les quelques prototypes de boucles miniaturisées qui ont été réalisés n’ont pas permis d’obtenir un comportement satisfaisant, la répartition des phases observée étant différente de celle prévue lors de leur conception. Ce constat met en évidence la nécessité d’études sur les mécanismes de base dans chacun des composants de ce type de micro- système afin de permettre une meilleure compréhension du fonctionnement de la boucle dans son ensemble et de pouvoir proposer un design apte à produire le fonctionnement désiré. Dans cet esprit, les travaux effectués lors de cette étude portent sur la vaporisation dans un canal unique engendrant un pompage capillaire. Avant de présenter ces travaux, quelques notions et grandeurs utiles à la compréhension des différents phénomènes sont rappelées.