Journée SFT - 1 décembre 2005 - Contrôle thermique des composants électroniques par voies diphasiques 1
Modélisation du refroidissement de plusieurs composants électroniques
par diffuseur thermique diphasique
CETHIL
INSA-UCB-CNRS
Contrôle thermique des composants électroniquespar voies diphasiques
Frédéric Lefèvre, Monique Lallemand
Centre de Thermique de Lyon (CETHIL), UMR CNRS-INSA-UCB 5008
Les diffuseurs thermiques diphasiques (DTD)
Matériau : métal (cuivre, aluminium, …)silicium
Structure capillaire (rainures, picots, mèches, …)
Source(s) chaude(s) :(Composant électronique, …)
Source froide :(convection naturelle ou forcée, …)
Fluide diphasique :• Liquide• Vapeur
(eau, méthanol, éthanol, ...)
• Silicium e < 1 mm• Métal e < 2 mm
Épaisseur interne : e
Performances:• Densités de flux de 1 à 100 Wcm-2
• λequ de 10 % à 1000 %
Deux fonctions principales :• Transport de chaleur à faibles ∆T• Homogénéisation de la température
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Les microcaloducs
Launay et al., 2004Moon et al., 2003
e = 340 µm
Cuivre/eau 1,5 mmSilicium/méthanol
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DTD à structure capillaire 1D et canal vapeur unique
Avenas et al., 2002Hopkins et al., 1999
Plaque A
PlaqueA
Plaque B
Plaque CPlaque B
Plaque C
Silicium/eau
e = 700 µme = 2,06 mm
Cuivre/eau
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DTD à structure capillaire 2D et canal vapeur unique
Benson et al., 1998
Kang et al., 2004
e = 1,9 mm
Cuivre/méthanol Silicium/eaue = 300 µm
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Synthèse
Différents matériaux
Différentes configurations
• Métal (cuivre et aluminium essentiellement): 1 mm < e < 2 mm • Silicium : 0,1 mm < e < 1 mm
• Rangs de microcaloducs• DTD ayant une structure capillaire 1D et un canal vapeur unique • DTD ayant une structure capillaire 2D et un canal vapeur unique
Différentes applications• Les microcaloducs ont une épaisseur faible mais des performances thermiques plus petites que les DTD à canal vapeur unique. • Une structure capillaire 2D permet de transférer la chaleur dans deux directions.
Développement d’un modèle général permettant de prendre en compte : • différentes structures capillaires,• plusieurs sources chaudes et sources froides de positions quelconques.
Modèle thermique : champ de températures dans la paroi et part du flux transmis directement par conduction dans la paroi.Modèle hydrodynamique : Calcul des pertes de charge dans le liquide et dans la vapeur afin de déterminer la limite capillaire.
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Couplage d’un modèle thermique 3D et d’un modèle hydrodynamique 2D d’un DTD en régime permanent
Schéma du DTD
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Composants électroniques
Sources froides
b
a0 x0
y
Structure capillaire(K, µl, ρl )
Espace vapeur (µv, ρv)
Hv
Hp
A-A
AA
zParoi (λs)
x
Hv + Hp << a, b
Modèle hydrodynamique 2D (x,y)pour le liquide et la vapeur
Modèle thermique
0zT
yT
xT
2
2
2
2
2
2
=∂∂
+∂∂
+∂∂
⎪⎩
⎪⎨
⎧
−=
∂∂
λ
−=∂∂
λ
=∂∂
=∂∂
=∂∂
=∂∂
=
=
====
)i(q0
)i(q
zT
)TsatT(hzT
0yT
yT
xT
xT
cond
ev
czp
0zp
by0yax0x
( ) ( )YncosXmcos)Z(ACte)z,y,x(T0n 0m
mn ππ= ∑∑∞
=
∞
=
Source uniforme de chaleur iz Surfaces adiabatiques
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x0
c
Tsat
qev(i)
Solution analytique
Equation de la chaleur 3D stationnaire
Conditions aux limites
qev(j)
Puits de chaleur j
h dépend de la conductivité equivalente de la structure capillaire λeq
hyp : λeq et Tsat sont uniformes
Hp h
Modèle hydrodynamique
0z2
2
2
2
cteyP
xP
=ϕ×=
∂∂
+∂∂
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ π
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ π
= ∑∑∞
=
∞
= byncos
axmcosCcteP
0m 0nmn
0zvvlv
vv
Hh1
yv
xu
=ϕ
ρ−=
∂∂
+∂∂
0yP
yP
xP
xP
by0yax0x
=∂∂
=∂∂
=∂∂
=∂∂
====
xPKu l
ll ∂
∂µ
−=
yPKv l
ll ∂
∂µ
−=
xP
12Hu v
v
2v
v ∂∂
µ−=
yP
12Hv v
v
2v
v ∂∂
µ−=
Ecoulement laminaire entre deux plaques
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Loi de Darcy
0zpllv
ll
Hh1
yv
xu
=ϕ
ρ=
∂∂
+∂∂
Equation de continuité
Equations pour le liquide Equations pour la vapeur
Solution analytique
Equation de continuité
Modèle thermique
Perméabilité de la structure capillaire (supposée constante)
Paramètres et hypothèses du modèle
La puissance maximale transférable est obtenue lorsque : ∆Pcap= ∆Pv+ ∆Pl+ ∆Pg
∆Pcap=2σreff
Pression motrice de la structure capillaire :
Dépend des propriétés du fluide et de la structure capillaire
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Perméabilité de la structure capillaire : KK est supposée uniforme Possibilité de modéliser des structures capillaires anisotropes Kx et Ky
Dépend des propriétés de la structure capillaire
Conductivité équivalente de la structure capillaire : λeq
λeq est supposée uniformeTsat est supposée uniforme
Dépend des propriétés du fluide et de la structure capillaire
K, reff et λeq sont déterminées expérimentalement ou à défault approximée par des relations analytiques (Faghri, 1994)
Validation avec des résultats expérimentaux
40 mm
Zone adiabatique
Condenseur
Evaporateur
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40 mm
15 mm
gStructure capillaire :mèches métalliques en bronze (e =70 µm)
Espace vapeur
10 mm
370 µm
Testé en position verticale avec 2 ou 3 mèches en bronze
Expérience de Khandekar et al., 2003
Fluide caloporteur : eau
Paroi (cuivre e= 265 µm)
Plots pour résistance mécanique
Validation du modèle(Faghri, 1994)
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Deux mèches (140 µm)
Trois mèches (210 µm)
avec reff=33×10-6 m (eau /CuSn)
∆Pcap~4200 Pa
( )2
32
1122 ϕϕ−
=dK
405.11 Ndπϕ −= K=1,88 10-11 m2
)(1 wdN +=
( ) ( )[ ]( ) ( )[ ]slsl
slslleff λλϕλλ
λλϕλλλλ−−++−−−+
=)1()1(
λs = 66 Wm-1K-1 (CuSn 6.3)
Résultats avec trois composants électroniques et deux sources froides
Deux mèches (140 µm), Tsat=50 °C Qmax=76 W
Isobares pour le liquide (Pa) Isobares pour la vapeur (Pa)
20 % du flux par conduction dans la paroi
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Résultats avec trois composants électroniques et deux sources froides
Vitesses liquide Vitesses vapeur
Deux mèches (140 µm), Tsat=50 °C Qmax=76 W
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Résultats avec trois composants électroniques et deux sources froides
Plaque pleine, e=635 µm, λ=1040 W m-1 K-1
Tsat=50 °C, Qmax=76 WDTD, Tsat=50 °C Qmax=76 W
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T-Tsat (K)T-Tsat (K)
Conclusion
Modèle analytique : Couplage modèle thermique et hydrodynamique
• Plusieurs sources et puits de chaleur• Position quelconque des sources et des puits• Prise en compte de la gravité• Nombreuses structures capillaires
Résultats :
• Champ de température dans la paroi• Part du flux transmis uniquement par conduction dans la paroi• Puissance maximale transférable
Limites du modèle :
• Propriétés thermophysiques uniformes (K, λeq, µ, ρ, …)• Géométries simples (DTD plats)• Frottement interfacial liquide-vapeur
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