Étude des micro-échangeurs intégrés pour le refroidissement des semi-conducteurs de puissance

Power semiconductors cooling with integrated micro heat exchangers

• Auteur / Autrice : Luc Meysenc
• Direction : Christian Schaeffer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 1998
• Etablissement(s) : Grenoble INPG
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrotechnique (Grenoble1980-2006)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Roye
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Mermet-Guyennet, Alain Bricard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lounès Tadrist, Jean-Marie Dorkel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Échangeurs de chaleur

Semiconducteurs de puissance

Mots clés libres

Sciences appliquees

Electronique

Refroidissement convection

Circuit integre

Circuit puissance

Echangeur chaleur

Caracteristique thermique

Convection forcee

Revue bibliographique

Prototype

Transistor bipolaire grille isolee

Micro-echangeur

Microcanal

Convection forcee simple phase

Convection forcee double phase

Convection cooling

Integrated circuit

Power circuit

Heat exchanger

Thermal characteristic

Forced convection

Bibliographic review

Prototype

Insulated gate bipolar transistor

Résumé

Cette thèse a pour but d'étudier le refroidissement des composants de puissance à l'aide de micro-échangeurs. A ce titre, il ne s'agit plus de systèmes de refroidissement rapportés, mais de dispositifs directement intégrés sous la partie active du silicium. Aussi, dans un premier temps, les caractéristiques électriques, thermiques et technologiques des composants de puissance sont rappelées. Deux modes de refroidissement sont considérés : la convection forcée simple phase et la convection forcée double phase. La convection forcée simple phase fait l'objet du deuxième chapitre. A partir d'une revue bibliographique, les corrélations de calcul du coefficient d'échange les plus adéquates aux microcanaux sont retenues. Une méthodologie de conception et de calcul est établie dans le but d'optimiser les dimensions des canaux en vue de minimiser la résistance thermique de l'assemblage ainsi que l'énergie nécessaire à la circulation du fluide. Enfin, la validité des méthodes de calcul est vérifiée à l'aide de mesures réalisées sur des prototypes monopuce. La convection forcée double phase est appréhendée de façon similaire. Une étude bibliographique permet de retenir les principes de calcul du transfert de chaleur, de la perte de pression, du flux critique les plus adaptés aux canaux de petits diamètres. De ces méthodes de calcul, une méthodologie de conception est également élaborée, méthodologie appliquée à la réalisation de prototype afin d'être validée

The aim of this work is to study the cooling of power semiconductors by the use of integrated micro heat exchangers. The heatsink is not placed under the component case but is directly integrated under the silicon chip. Thus, in a first time, electrical, thermal and technological characteristics of power components are renûnded. Two cooling principles hâve been retained : single phase forced convection and two-phase forced convection. Single phase forced convection is studied in the second chapter. The most adéquate corrélations for the calculation of the heat transfer coefficient are extracted from a bibliography review. Then, a conception methodology is established to optimise the heatsink sizes in order to minimise its thermal résistance and the pumping energy. Finally, the validity of the study is checked with measurements realised on single chip prototypes. A similar way is employed to study two-phase forced convection. Two-phase heat transfer, pressure drop and critical heat flux are obtained from a bibliographical review. From thèse instructions, a conception methodology is established, methodology which is also checked by measurements realised on prototypes