Étude expérimentale et théorique de microcaloducs et technologie silicium

Pandraud Guillaume

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• Publié par: Shueh
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Extrait

Introduction

L’amélioration des performances de l’électronique a permis une augmentation des vitesses de calcul et des puissances de travail, mais elle s’est aussi accompagnée d’une réduction de la taille des systèmes. La fabrication de composants de plus en plus petits et de plus en plus sophistiqués a cependant un prix, et elle occasionne plusieurs problèmes, entre autres l’augmentation très importante du flux thermique surfacique dissipé par les composants. En effet, les systèmes microélectroniques sont très sensibles à la température et il est toujours déconseillé de porter un composant au-dessus de 125°C environ, alors même que les densités de flux thermique 2 atteignent désormais près de 100 W/cm. Au-delà, leur durée de vie se trouve considérablement réduite, ce qui peut être très dommageable lorsque la maintenance est délicate ou impossible, comme dans les satellites par exemple. Il est donc aujourd’hui essentiel de développer des systèmes de refroidissement aux performances compatibles avec les puissances à dissiper. Parmi les différentes méthodes utilisées pour extraire un flux de chaleur, les transferts avec changement de phase sont a priori les plus intéressants car la chaleur latente récupérée est beaucoup plus élevée que la chaleur sensible mise en jeu lors des transferts thermiques monophasiques. Désirant utiliser des procédés de transferts thermiques diphasiques, Cotter (1984) a repris le principe des caloducs, connu depuis la fin du ème XIX siècle,mais utilisé réellement depuis les années 1960, et l’a appliqué à des échelles plus réduites, créant ainsi les microcaloducs. Le caloduc est une enceinte close, généralement un tube, contenant un fluide à saturation, évaporé à proximité d’une source chaude et condensé au voisinage d’une source froide. Le liquide revient vers la zone chaude à travers une structure capillaire, typiquement une mèche, une paroi poreuse ou des rainures. L’idée principale de Cotter est que, si le diamètre hydraulique du tube est assez faible, il est impossible d’introduire une mècheet le tube doit constituer la structure capillaire, de par la présence de coins. Ce fonctionnement ne nécessite pas de pompe, ni aucune autre forme d’énergie, il est complètement passif. De plus, il permet d’homogénéiser les températures sur une surface et d’éviter des valeurs localement très élevées, en particulier en utilisant des microcaloducs organisés en réseaux. S’ils sont réalisés dans le même matériau

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que le système à refroidir, il n’y a pas de problèmes de dilatation différentielle. De plus, l’avènement des microtechnologies a permis de réaliser des microcaloducs directement intégrables dans le substrat de silicium à refroidir. En France, la première étude expérimentale sur ce sujet fut effectuée par Stéphane Launay (2002), dans le cadre de sa thèse effectuée au CETHIL ; le présent travail est une suite à ces recherches. Durant sa thèse, Stéphane Launay a développé une méthodologie et des bancs d’essais permettant de tester des réseaux de microcaloducs ; il a conçu et testé deux types de réseaux. Il a également développé un modèle numérique basé sur ceux déjà existants au CETHIL pour prévoir les performances de réseaux de microcaloducs triangulaires. Néanmoins, dans ce modèle, le cas des fluides non polaires utilisés expérimentalement (méthanol, éthanol) n’a pas été traité. D’un point de vue expérimental, un faible nombre de réseaux fonctionnels a pu être réalisé et testé. Les objectifs de la présente étude étaient donc de poursuivre et compléter les travaux et les résultats obtenus par Launay. Cela signifiait modifier le modèle pour l’utiliser dans un nombre de cas plus importants, mais également améliorer la méthodologie de réalisation des microcaloducs pour obtenir une bonne qualité des microcaloducs avec une procédure reproductible. Il était également souhaitable d’améliorer les performances des réseaux de microcaloducs par la conception et le développement de géométries innovantes. Avant que ne soient évoqués plus précisément les moyens mis en œuvre pour la réalisation de ces objectifs, une synthèse bibliographique est proposée dans le premier chapitre de ce mémoire. Elle permet d’expliquer plus en détails le fonctionnement des microcaloducs et les différents phénomènes physiques rencontrés qui rendent leur étude parfois complexe. Une analyse des articles publiés sur ces systèmes est ensuite présentée, d’abord concernant ceux relevant d’une approche théorique et de modélisation, ensuite ceux exposant des résultats d’études expérimentales. Le second chapitre aborde l’étude expérimentale, c’est-à-dire tout le processus technologique suivi pour réaliser des réseaux de microcaloducs à partir de deux plaquettes de silicium, mais aussi les méthodes mises en œuvre et les moyens expérimentaux utilisés pour les remplir et mesurer leurs performances thermiques. Le troisième chapitre est consacré aux mesures des températures. Deux types de capteurs ont été utilisés dans cette étude et sont présentés avec leurs avantages et inconvénients. L’exploitation des résultats à l’aide d’un logiciel de modélisation numérique tridimensionnel permet d’analyser les résultats.

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Le quatrième chapitre présente les résultats des essais réalisés sur les réseaux de microcaloducs. L’étude d’un réseau rempli de méthanol permet d’étudier l’influence de plusieurs paramètres, la puissance imposée, la température de fonctionnement et la nature de la paroi. Le fonctionnement des microcaloducs est ensuite étudié et analysé pour quatre autres fluides : l’éthanol, le pentane, le FC72 et l’eau. Le cinquième chapitre présente les modèles développés pour étudier le fonctionnement des microcaloducs. Leur algorithme, dépendant du type de modèle, est présenté. Il permet de comprendre comment chaque sous-modèle est utilisé. Ces différents sous-modèles sont ensuite présentés plus en détails. Ils sont au nombre de trois. Le premier est un modèle du type hydrodynamique ; il calcule l’évolution des paramètres physiques le long du microcaloduc, les deux autres sont du type thermique, ils permettent de prédire les températures de la paroi au condenseur pour l’un et à l’évaporateur pour l’autre. Les résultats des modèles sont enfin présentés et comparés aux résultats expérimentaux. Une synthèse du travail effectué est présentée en conclusion de ce mémoire. Les résultats principaux de cette étude sont rappelés; ils permettent d’envisager certaines perspectives ayant pour but d’améliorer la compréhension du fonctionnement des microcaloducs ou d’obtenir de meilleures performances expérimentales.