Refroidissement de l’électronique par changement de phase liquide-vapeur

La gestion thermique des systèmes électroniques constitue un enjeu crucial dans de nombreux secteurs industriels, en raison de l'augmentation continue de la densité des composants électroniques, due à leur miniaturisation et à l’exigence en densité de puissance globale. La densification des composants est liée à l’évolution des technologies. Par exemple, la loi empirique de Moore, et au-delà les approches More-Than-Moore, ont permis l’émergence de processeurs avec plusieurs billions de transistors par centimètre carré, dont la taille est seulement de quelques nanomètres. La conséquence directe de cette loi est une augmentation des fréquences de commutation et des densités de flux à dissiper, qui sont également de plus en plus hétérogènes. La problématique est la même pour les composants de puissance et les convertisseurs de puissance. L’émergence de nouvelles technologies, notamment celle qui utilise le nitrure de gallium, conduit aux mêmes effets ; les densités de puissance dépassent aujourd'hui localement plusieurs centaines de watts par centimètre carré. Cette situation génère la présence de points chauds et conduit à de fortes contraintes thermo-mécaniques. Malgré les nombreux efforts déployés pour améliorer les systèmes de refroidissement traditionnels, les températures atteintes au cœur des composants peuvent excéder les limites acceptables. De plus, les mécanismes de défaillance sont exacerbés par ces excursions de température. Les analyses de fiabilité montrent que la majorité des pannes actuelles dans les convertisseurs proviennent du cyclage thermique de certains composants électroniques. Par exemple, dans les domaines de l’aviation civile et militaire, les contraintes thermiques représentent aujourd'hui 63 % des sources de défaillance des circuits électroniques.

Par conséquent, le développement de solutions de refroidissement plus efficientes et compactes est un défi majeur pour les industriels. Les solutions basées sur le changement de phase liquide-vapeur sont capables de relever ce défi, car elles permettent le transfert de grandes quantités de chaleur avec une faible différence de température.

Après avoir présenté les problématiques liées à la thermique dans les systèmes électroniques, cet article décrit les solutions technologiques de refroidissement diphasique, puis expose une étude de cas permettant de comparer les performances de ces technologies avec des technologies plus conventionnelles.

Le lecteur trouvera en fin d’article un tableau des symboles et des indices utilisés.