Modélisation de micro-diffuseurs diphasiques pour le refroidissement de composants électroniques compacts

par Xavier Rolland

Thèse de doctorat en Énergétique et thermique

Sous la direction de Monique Lallemand.

Soutenue en 2004

à Lyon, INSA .

mots clés

• Caloducs
• Dissipateurs thermiques (électronique)
• Composants électroniques

Résumé

Le travail présenté dans ce mémoire concerne les modélisations hydrodynamique et thermique d’un micro-diffuseur thermique diphasique. Un modèle numérique a été réalisé pour étudier son comportement en fonction de différents paramètres. Les résultats de cette étude ont permis de comprendre son fonctionnement et d’en déduire une géométrie optimale et adaptée à son utilisation. La géométrie étudiée se compose d’un canal vapeur unique et d’une rangée de 62 rainures de section trapézoïdale. Le fluide utilisé est l’eau. La surface occupée par l’évaporateur est de 10*10 mm2 et celle du condensateur de 50*10 mm2. La limite capillaire atteinte pour cette géométrie est de 180 W. Les performances obtenues sont caractérisées par la résistance thermique du diffuseur entre l’évaporateur et le condensateur, égale à 0,2 K/W. Plusieurs types de diffuseurs thermiques diphasiques ont été intégrés dans un modèle complet de composant électronique compact. Les résultats ont permis de déterminer l’intérêt de l’utilisation de tels diffuseurs dans les systèmes de refroidissement de composants 3D en terme de performances thermiques. Le gain par rapport à des technologies plus classiques comme les ailettes métalliques est de l’ordre d’une dizaine de degrés.

Résumé

The work presented in this report relates to hydrodynamic and thermal modelling of a diphasic thermal micro heat spreader. A numerical model was developed to study its behaviour according to various parameters. The results of this study made it possible to understand its operation and to deduce an optimal geometry. The studied geometry is composed of a single vapour channel and an array of 62 grooves of trapezoidal section. The fluid used is water. The surface occupied by the evaporator is 10*10 mm2 and that of the condenser 50*10 mm2. The capillary limit reached for this geometry is 180 W. The performances obtained are characterised by the thermal resistance of the heat spreader between the evaporator and the condenser, equal to 0. 2 K/W. Several types of diphasic thermal heat spreaders were integrated in a complete model of compact electronic components. The results made it possible to determine the interest of the use of such heat spreaders in the cooling systems of compact components in term of thermal performances. The improvement compared to more traditional technologies as the metal fins is about ten degrees.