Méthode non intrusive de mesure de température de puce pour le refroidissement diphasique par immersion de composant semiconducteurs de puissance

Clément Hugon$^{1,\star}$, Samuel Siedel$^{2}$, Yvan Avenas$^{3}$
$^{\star}$ : clement.hugon@g2elab.grenoble-inp.fr
$^{1}$ G2Elab/SIMAP
$^{2}$ SIMAP
$^{3}$ G2Elab
Mots clés : paramètre thermosensible, refroidissement par immersion, diphasique, électronique de puissance
Résumé :

L’augmentation des puissances électriques transitant dans les composants semiconducteurs de puissance et leur miniaturisation conduit à une augmentation des densités de flux thermique à évacuer. Il est donc nécessaire de développer de nouvelles méthodes de refroidissement afin de diminuer la résistance thermique globale entre le composant et sa source froide, permettant ainsi une intensification des transferts de chaleur associés. C’est pourquoi, il est proposé dans cette étude de refroidir par ébullition libre des composants électroniques de puissance en les immergeant dans un bain fluide à saturation. Comme les différents composants peuvent être portés à des potentiels électriques différents, le fluide utilisé joue également le rôle d’isolant électrique. Dans le cas du refroidissement des composants de puissance, les densités de flux de chaleur ne sont pas uniformes au niveau de la surface d’ébullition, contrairement à l’étude expérimentale usuelle du refroidissement diphasique. Ainsi, afin de caractériser les transferts thermiques en jeu dans un cas proche de l’application visée, l’idéal est d’utiliser le composant de puissance lui-même comme source de chaleur et de mesurer sa température interne moyenne, appelée par la suite température de jonction.

Dans cet article, une méthode de mesure non-intrusive de la température de jonction pendant le refroidissement diphasique par immersion sera présentée. Elle est basée sur l’utilisation d’un paramètre électrique de la puce dépendant de la température, appelé paramètre thermosensible. Ce type de paramètre correspond généralement à des tensions et courants caractéristiques du composant dont la mesure permet de déterminer la température de jonction sans utilisation de capteur de température externe. En effet les forts gradients de température et le niveau d’intégration de l’électronique rendent difficile la mesure, directe ou via un modèle de conduction 1D, par thermocouple ou capteur résistif. De plus, la mesure de la température de jonction par l’intermédiaire d’un paramètre thermosensible permet d’obtenir l’évolution dynamique de la température du composant avec des temps de réponse très faibles, typiquement inférieurs à 100 $\mu$s. L’originalité du paramètre choisi dans cette étude réside dans la possibilité de l’utiliser de manière concomitante au fonctionnement normal du composant. Cela permet d’une part à la mesure de ne pas perturber le phénomène étudié et d’autre part à utiliser cette mesure pendant l’échauffement du composant afin de le protéger dans le cas où le flux critique au niveau de la surface d’ébullition serait atteint.

L’objectif de cet article est de présenter et d’évaluer ce paramètre thermosensible dans le cas de l’application proposée. Dans un premier temps, son principe de calibration ainsi que les erreurs liées à cette méthode de mesure seront présentés. Cette dernière sera ensuite appliquée au refroidissement diphasique par immersion et comparée à une méthode de mesure classique de température via thermocouples. Enfin, une fonction de sécurité sera également proposée, permettant de couper l’alimentation de la puce en cas de dépassement d’une température limite afin d’éviter l’emballement thermique dû à un assèchement de la surface d’échange.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2023-052

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