Ahmed Sabry AHMED soutiendra sa thèse le 15/11/2024 à 09h.
Lieu : ’amphithéâtre Ouest, bâtiment les Humanités à l’INSA Lyon. 1 rue des humanités, 69100 Villeurbanne
Jury :
Rapporteurs :
M. Till HUESGEN, Professeur des Universités, Université de Kempten
M. Yvan AVENAS, Maître de Conférences HDR, Grenoble INP
Examinateur :
Mme. Stéphanie GIROUX-JULIEN, Professeure des Universités, Université de Lyon 1
Mr. Vincent PLATEL, Professeur des Universités, Université de Pau
Encadrement :
M. Cyril BUTTAY, Directeur de Recherche, CNRS
M. Jacques JAY, Maître de Conférence, INSA Lyon
M. Rémi PERRIN, Chercheur, Mitsubishi Electric R&D Centre Europe
M. Ronnie KNIKKER, Maître de Conférence, INSA Lyon
Résumé :
L’intégration de dispositifs semi-conducteurs de puissance dans un circuit imprimé (PCB) est une solution prometteuse pour réduire les éléments parasites des circuits, simplifier le packaging des dispositifs et réduire les coûts. Cependant, la réduction continue de la taille des puces semi-conductrices, combinée à la faible conductivité thermique des couches diélectriques des PCB nécessitent des solutions de gestion thermique plus efficaces.
Les solutions de gestion thermique et de refroidissement doivent offrir une faible résistance thermique entre la jonction de la puce et son environnement, et être capables de gérer une densité de puissance élevée au niveau de la puce sans dépasser la limite supérieure de la température de jonction de la puce. La plupart des dispositifs en silicium sont limités à 175°C. L’objectif de cette thèse est d’atteindre une densité de puissance de 1000 W/cm² sans dépasser la limite de température de jonction de 175°C. Cet objectif est contraint par d’autres considérations telles que la faible consommation d’énergie, la taille et le poids, la haute fiabilité, le faible coût et un entretien minimal. Enfin, les solutions de refroidissement étudiées ici doivent être compatibles avec les processus de fabrication des PCB et la technologie d’intégration, car nous visons à les appliquer aux puces intégrées dans les PCB.
Dans ce projet de recherche, deux solutions de gestion thermique sont étudiées. Tout d’abord, un dissipateur de chaleur en graphite avec une haute conductivité thermique (1300 W/(m.K) dans le plan, et 15 W/(m.K) hors plan) est intégré dans le PCB. Deuxièmement, une solution d’extraction de chaleur basée sur la technique de refroidissement par jet d’eau impactant est mise en œuvre pour collecter la chaleur à la surface du PCB. Pour la solution de dissipation de chaleur, les valeurs des résistances thermiques jonction-environnement et jonction-boîtier (RthJA et RthJC, respectivement), des variantes de PCB avec des diodes et des puces MOSFET intégrées, sont réduites jusqu’à 38 % pour RthJA et 30 % pour RthJC, d’après les mesures. Pour la solution d’extraction de chaleur, le refroidisseur à jet d’eau (JIC) présenté réduit expérimentalement RthJA de 33 % par rapport à une plaque froide conventionnelle. Le coefficient de transfert de chaleur effectif (HTC) du JIC est calculé par simulations et s’élève à environ 43 kW/(m².K) avec une chute de pression de 9,7 kPa. Cette performance permet d’atteindre une densité de puissance de 865 W/cm² sans dépasser la limite de température de jonction de 175°C. Augmenter la conductivité thermique de la couche isolante par un facteur de 10 permettra d’atteindre 993 W/cm² (très proche de l’objectif de 1000 W/cm²).
Mots-clés : PCB, packaging, gestion thermique, graphite, diffusion de chaleur, MOSFET, SiC, intégration de PCB, FEM, CFD, mesures thermo-hydrauliques, TDIM, transfert de chaleur.