Actuellement, les systèmes électroniques sont de plus en plus petits et de plus en plus perfor- mants. Par conséquent, le flux de chaleur dégagé par ces systèmes est en constante augmentation, et l’étude thermique devient primordiale dès leur conception. Un des problèmes scientifiques et technologiques majeurs réside dans l’évacuation et le transport de la chaleur dissipée par ces sys- tèmes. Cette problématique énergétique se retrouve dans deux domaines de l’électronique, à savoir celui de la micro-électronique et celui de l’électronique de puissance.
Dans le cas des circuits intégrés en micro-électronique, comme l’avait prédit Gordon Moore en 1965, co-fondateur de la société Intel, le nombre de transistors par circuit intégré de même taille double tous les 18 mois, depuis leur apparition dans les années 60 (fig.I.1). Les limites du refroidis- sement par des solutions traditionnelles, comme par exemple les radiateurs à ailettes, sont aujour- d’hui atteintes. Afin de ne pas brider les performances de ces systèmes, les fabricants contournent actuellement le problème en développant des machines à biprocesseurs.
Cette problématique du refroidissement est également rencontrée dans le domaine de l’électroni- que de puissance. Comme pour la micro-électronique, une loi caractérisant son évolution dans le temps a été établie [2], mettant en évidence une augmentation d’un facteur deux de la puissance dégagée par unité de volume d’encombrement tous les quatre ans (fig.I.2). Ce type de système dé- gage donc des densités volumiques de puissance de plus en plus grandes, les prédictions prévoyant d’atteindre environ 100 W.cm−3dans moins de vingt ans.
Aujourd’hui, dans un souci de miniaturisation des composants et des systèmes électroniques, 5
FIG. I.1: Loi de Moore (source : http ://www.intel.com/research/silicon/mooreslaw.htm).
FIG. I.2: Densité de puissance dégagée pour les convertisseurs en électronique de puissance [2].
deux voies sont envisageables :
– soit les composants sont miniaturisés en conservant les mêmes architectures interne et péri- phérique. Les contraintes thermiques imposent alors de concevoir des systèmes de refroidis- sement plus efficaces du fait des réductions de surface.
– soit l’architecture du composant est intégralement repensée. Dans cette perspective, des travaux sont en cours de développement dans le domaine des matériaux, des technologies d’assemblage, de soudure, etc., afin de concevoir des architectures tridimensionnelles (no-
système de refroidissement au cœur de l’assemblage se pose alors.
Dans les deux cas, la nécessité de développer des systèmes de régulation thermique efficaces et fiables est primordiale, avec une contrainte supplémentaire posée par l’électronique de puissance, à savoir une certaine souplesse architecturale.
Pour trouver des solutions technologiques adaptées, il est important de comprendre le problème en regardant tout d’abord comment est constitué le système à refroidir. Pour cela, considérons un exemple de système classique en électronique de puissance, à savoir un convertisseur électrique (redresseur, hacheur, etc.) (fig. I.3). Lorsque le système de refroidissement n’est pas intégré, les
FIG. I.3: Schématisation d’un boîtier de convertisseur électrique. Le refroidissement est ici clas- siquement obtenu grâce à un radiateur à ailettes placé au contact d’une semelle dont le rôle est de diffuser la chaleur, et, dans une moindre mesure, d’assurer la tenue mécanique de l’ensemble. puces électroniques sont positionnées sur une semelle qui permet d’assurer, outre la tenue méca- nique, le rôle de diffuseur de la chaleur. Le système de refroidissement est positionné au contact de cette semelle par l’intermédiaire d’une graisse thermique.
D’un point de vue énergétique, la température maximale de bon fonctionnement des puces électro- niques en silicium ne doit pas dépasser 125◦C. La figureI.3représente également les différentes résistances thermiques rencontrées par le flux de chaleur lorsqu’il est évacué vers le milieu ambiant
avec Tc et Ta qui représentent respectivement la température du composant électronique à ne pas
dépasser et la température du milieu ambiant. Les différentes résistances thermiques sont : – Rth,mod : la résistance thermique du module (y compris les brasures et autres jonctions)
– Rth,int : la résistance thermique de l’interface entre la semelle et le système de refroidisse-
ment
– Rth,ref : la résistance thermique du système de refroidissement
Pour évacuer un flux et maintenir un niveau de température, il y a deux façons de procéder : – soit il est possible de jouer sur la conductance thermique globale du système. Cela revient
à diminuer, voire à supprimer, les différentes résistances thermiques citées précédemment. Cela peut être obtenu en améliorant la conductance du système de refroidissement (en rem- plaçant le radiateur à ailettes par un système plus efficace ; des refroidissements liquides sont d’ores et déjà utilisés sur certains convertisseurs de haute puissance), ou encore en intégrant directement le système de refroidissement sur le composant électronique, ce qui permettrait de supprimer la résistance thermique de la semelle et les résistances de contacts associées. – soit il est possible de jouer sur la différence de température. Des développements sont en
cours sur certains composants pour permettre une utilisation à haute température.
L’objectif de la présente étude est de contribuer au développement d’une solution de refroi- dissement performante, c’est-à-dire d’un système possédant une résistance thermique faible, tout en ayant une architecture suffisamment souple pour envisager son intégration dans un composant électronique dont la structure serait tridimensionnelle.
Dans la suite de ce chapitre, les différentes solutions existantes actuellement utilisées pour le re- froidissement des systèmes électroniques sont tout d’abord présentées.