MATériaux isolants et assemblages pour la gestion thermique du PACKaging de puissance
Léo Sterna - CEA-Leti
Yvan Avenas - G2Elab
Développer des matériaux en rupture pour la gestion thermique des modules de puissance, puis les mettre en œuvre sous la forme de modules.
Prouver que les matériaux céramiques et les nouveaux polymères chargés sont des technologies d’avenir pour le packaging des composants de puissance.
> Frugalité
> Flexibilité de conception
> Coût raisonnable
> Recyclage simplifié
Automobile
Aéronautique
Spacial
Défense
Le packaging pour l'électronique de puissance joue un rôle crucial dans la performance, la fiabilité et la durabilité des composants électroniques. L’augmentation de la compacité des systèmes rend centrale la problématique de la gestion des points chauds dans les composants pour la conversion de puissance. Les caloducs sont des dispositifs de gestion thermique bien connus en électronique de puissance. Ils mettent en œuvre le transport d’énergie thermique d’une source chaude vers une source froide, via un fluide pur à l’équilibre liquide/vapeur dans une enveloppe étanche. Les changements de phase du fluide de travail permettent des conductances thermiques très importantes. L’augmentation des puissances mises en jeu dans les systèmes visés par le projet, et l’élévation des compacités attendues impliquent le développement de solutions innovantes pouvant s’intégrer et s’adapter aux nouvelles architectures des convertisseurs. Le dimensionnement et l’intégration de mini ou micro caloducs au plus près des sources thermiques et en optimisant les aspects diélectriques est un des challenges relevés dans ce projet. Les céramiques, telles que l'oxyde d'aluminium (Al2O3) ou le nitrure d'aluminium (AlN), permettent de gérer efficacement la chaleur générée par les composants de puissance tout en apportant une excellente isolation électrique, ce qui en fait une solution d’intérêt pour les applications fortes et très fortes puissances (>10kW) ainsi que pour les applications hautes températures (réseaux énergétiques, mobilité lourde). Les polymères chargés sont quant à eux, des matériaux composites où des charges (comme des particules céramiques) sont ajoutées pour améliorer les propriétés thermiques. Ce type de packaging nouveau peut être utilisé pour des applications nécessitant une bonne dissipation thermique et une isolation flexible. La forte épaisseur de ces substrats permet une meilleure gestion des pics de puissance en augmentant l’inertie thermique globale. Ceci peut être encore amélioré en utilisant un matériau massif ou un matériau à changement de phase sur la face top des semi-conducteurs. Dans ce projet, les 4 solutions décrites ci-dessus seront abordées an parallèle puis mise en œuvre dans différents démonstrateurs de systèmes de conversion d’énergie en visant des usages dans l’industrie : défense, mobilité, spatial, télécom, datacenters.
