Spreader à métal liquide pour les composants électroniques

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Pierre-Louis Girard
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1 Spreader à métal liquide pour les composants électroniques Mansour Tawk, Yvan Avenas, Eric Vagnon Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble - G2Elab INPG - UJF CNRS, ENSE3 - BP Saint-Martin-d'Hères Cedex Mail : mansour.tawk@g2elab.grenoble-inp.fr 0

2 Contexte de l étude Diffuser la chaleur au dessous des composants électroniques Transporter la chaleur d une d petite surface ( le composant semi conducteur) vers une grande surface le refroidisseur Pour le moment : Deux technologies pour diffuser la chaleur Plaque en cuivre : Solution très simple Problème de poids et de volume Caloducs ou vapor chamber Solution très efficace et utilisée dans différents applications Réduire la résistance thermique, le volume et le poids du système Limitation en terme de densité de puissance et de puissance Dépend de la gravité Problème de fonctionnent à haute température 1

3 SAMELEC (Spreader A Métal Liquide pour les Composants Electroniques) Un spreader à métal liquide pour les composants électroniques Pour : Dissiper une densité de flux de chaleur supérieure à 150W/cm² produite par les composants électroniques Solutions de gestion thermique pour relever les défis les plus complexes (en terme de densité de flux de chaleur) de la gestion de la chaleur dans les composants électroniques Ainsi on peut : Améliorer la fiabilité du composant électronique (en diminuant la température de la puce) Diminuer le volume et le poids du système : diminuer le nombre de composants (par exemple, pour le même courant, diviser le nombre de puces par 2) et/ou diminuer la taille du refroidisseur Simplifier ou fiabiliser le système de refroidissement : remplacer boucle à eau par caloducs, ou caloducs par convection forcée à air. Réduire les coûts (composant dissipateur) 2

4 SAMELEC Nouvelle approche pour diffuser la chaleur au dessous des composants électroniques Basé sur la circulation d un fluide métallique au dessous des composants semi conducteurs Pourquoi un métal liquide? Très bonne conductivité thermique (ex. pour le gallium, 50 fois plus de celle de l eau, ) - Coefficient d échange équivalents très élevées de l ordre de 10 5 Très bonne conductivité électrique - Ce qui rend possible l utilisation des pompes électromagnétiques 3

5 Plan de l étude Principe physique du spreader à métal liquide Géométrie système de pompage et le substrat Modélisation et simulations Méthode numérique Conditions physiques et conditions limites Discussions Performances thermiques Comparaison avec autres technologies Proposition de mise en œuvre, vers un démonstrateur Conclusion 4

6 Principe physique du spreader à métal liquide Gestion thermique des systèmes Électroniques Interface : - composants électronique ---- système de refroidissement Transporter et étaler la chaleur au dessous de la source Spreader à métal liquide Composant circulation un métal liquide substrat Système de refroidissement Ailette, ventilateurs, refroidisseur à eau Ce liquide absorberait la chaleur sous les composants avec de faibles élévations de température et distribuerait cette chaleur sur toute la surface restante du substrat Mettre en circulation un métal liquide dans un substrat conducteur thermique. 5

7 Principe physique du spreader à métal liquide Géometrie Circulation du métal liquide au dessous de la source Coefficient d échange supérieur à W/(m².K)! Fluide métallique Pompage EM Dissipation de la chaleur Plaques isolantes (électrique) 6

8 Principe physique du spreader à métal liquide Propriétés Eau Alliage GaInSn Densité (kg m -3 ) Point d ébullition ( C) Capacité calorifique (J kg -1 K -1 ) Viscosité cinématique (m² s -1 ) x 10-7 Conductivité électrique (Sµm -1 ) x 10 7 Conductivité thermique (Wm -1 K -1 ) Gallium Ininflammable, non toxique, non polluant, Permet Utilisation de pompes électromagnétiques Pas de pièce en mouvement Coefficient d échange très élevé Maîtrise du gallium Il dissout la plupart des métaux Cuivre et aluminium par exemple Il s oxyde très rapidement Température de fusion proche de 30 C Coût : 1000 euros / 150 ml (kg) 7

Principe physique du spreader à métal liquide Pompe electromagnétique Dans une boucle fermée Circuit magnétique I B Pompes EM intégrées Electrodes Tuyau Sortie du fluide Aimant permanents F Sortie

9 Principe physique du spreader à métal liquide Pompe electromagnétique Dans une boucle fermée Circuit magnétique I B Pompes EM intégrées Electrodes Tuyau Sortie du fluide Aimant permanents F Sortie Entrée aimant Electrode B Aucune pièce en mouvement Augmentation de la fiabilité Système silencieux et plus facile à commander Réduction du volume B: Induction magnétique I : Courant J: Densité de courant 8

10 Modélisation et simulations Modélisation de la géométrie Circuit magnétique Source de chaleur (1cm²) Plaque céramique en AlN Dimensions : 20 x20 mm Circulation du fluide Electrodes en Inox Plaque en polymère (Plastique) Matériau isolant ou Polymère Plaque céramique en Al Dimensions : 70 x 35 9

11 Modélisation et simulations Problème multi-physique très complexe Magnétostatique Pour calculer le champ magnétique créer par les aimants permanents dans le canal de la pompes EM H = 0 H = B = µ ( H + ) V m 0 M Conduction électrique Pour calculer le champ électrique créer par les électrodes dans le canal de la pompe EM r J r r r = σ ( E + v B) Mécanique des fluide Pour Etudier l écoulement dans le spreader Transfert de chaleur Pour simuler le transfert de chaleur entre le fluide et les parois du spreader, la température (phénomène de convection et de conduction) r F r = J r B r v C µ k ρ. η + ρ t σ k r r P + ( J B) modèle turbulent K-ε T ρcp + ρcpv. T =.( λ T ) + t T ρc P.(λ T ) = t q 2 r r.( v + ( v) T r r ) + v. v = q 10

12 Modélisation et simulations Conditions limites Température ambiante = 35 C. Le refroidisseur est remplacé dans toutes les simulations par un heq imposé sur la face arrière du spreader Une puissances est imposée sur la surface de la source de chaleur Toutes les autres surfaces sont isolés thermiquement Une tension est appliqué au borne des électrodes pour créer un courant dans le canal de la pompe Toutes les autres surfaces sont isolés magnétiquement et électriquement Géométrie simulée sur Comsol 3D 11

13 Discussions Performances thermique Tmax ( C) Φ=200W Φ=500W Φ=1000W heq (W/m².K) La température maximal de la puce en fonction du coefficient d échange équivalent Débit du fluide dans le Spreader Flow Débit rate Q (l/min) 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Tension Votage (mv) Le débit dans le spreader en fonction de la tension appliquée entre les électrodes 12

14 Discussions Comparaison avec une plaque en cuivre de même dimensions Rth (K/W) 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Rth_Cu heq (W/m².K) Rth_Lm Résistance thermique du spreader à métal liquide et du block massif en cuivre de même taille Rthen (%) heq (W/m².K) Amélioration de la résistance thermique du système en utilisant le spreader à métal liquide 13

15 Mise en œuvre I B Pompes EM intégrées Fonctionnement Transporter la chaleur d une petite surface (composant) vers une grande surface (ambiant) Sortie Entrée B aimant Electrode Circuit magnétique aimants Céramique Composants Céramique Électrodes Circulation du fluide Dissipateur Représentation schématique 14

16 Conclusion Le spreader à métal liquide décrit dans cette étude peut être une solution efficace dans la gestion thermique des comosants électroniques Un premier modèle et une étude numérique complète ont été réalisés Les premiers performances thermique du spreader a métal liquide montre qu on est : Capable d évacuer une puissance d e1kw sur une surface de 1cm² Capable de réduire le volume du refroidisseur au desous des composants électronique tout en gardant les mêmes performances thermiques - Réduire la résistance thermique de 40% Un premier démonstrateur est en cours de réalisation pour démontrer la faisabilité technologique et valider les résultats des simulations 15

17 Applications Cette nouvelle approche de dissipation de la chaleur est une solution intéressante pour plusieurs applications Illustration Electronique de puissance Illustration Illustration CPV Illustration LEDs 16

18 Merci! 17

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