Les enjeux de la gestion thermique des équipements électroniques de prochaine génération

Les auteurs chinois et grecs d'un récent article de synthèse (1) soulignent que les puces électroniques sont les composants les plus importants pour assurer le développement de technologies telles que l'Internet, l'intelligence artificielle, les superordinateurs, etc. Pour permettre des performances et une intégration élevées, la densité de puissance des puces électroniques doit augmenter considérablement, entraînant des exigences de dissipation thermique beaucoup plus élevées. 

 

Si la chaleur ne peut pas être évacuée à temps, un point chaud local avec un gradient de température important affectera directement les performances et la fiabilité opérationnelle de ces équipements électroniques. Par conséquent, pour assurer le fonctionnement stable et fiable à long terme des puces hautes performances, il convient de mettre en place une stratégie de gestion thermique à haut rendement pour éliminer les flux de chaleur élevés et maintenir la température de l’équipement en dessous de ses limites. 

 

Selon des études récentes, environ 55 % des pannes d'équipements électroniques sont liées à des températures élevées. De plus, lorsque les températures des éléments dépassent leur plage de fonctionnement normale, chaque augmentation de température de 10 °C entraîne une diminution de 50 % de la fiabilité du système (2). 

 

Aujourd'hui, les puces électroniques peuvent générer des flux de chaleur allant de 10 à 100 W/cm². Dans les systèmes électroniques de nouvelle génération, le flux de chaleur typique peut dépasser 1000 W/cm². Cependant, la capacité de refroidissement des méthodes conventionnelles de dissipation thermique (refroidissement par air, microcanal, refroidissement des semi-conducteurs, caloducs, etc.) s'avère inférieure à 100 W/cm2, ce qui ne peut pas répondre aux exigences de plus en plus strictes en matière de refroidissement des puces. 

 

Selon les auteurs de l’article (1), une des solutions à cette problématique de refroidissement est la technique de refroidissement par pulvérisation. Comparé à la technologie de refroidissement traditionnelle, le refroidissement par pulvérisation présente des avantages tels qu’une faible différence de température de transfert de chaleur, une capacité d'évacuation de la chaleur élevée avec une faible consommation de fluide de travail, un contrôle précis de la température et une répartition uniforme de la température sur la surface de refroidissement. 

 

Ainsi, le refroidissement par pulvérisation utilisant de l'eau comme fluide de travail a démontré une capacité élevée à éliminer des flux de chaleur atteignant 1000 W/cm2. il présente donc un grand potentiel pour la  dissipation thermique future des équipements électroniques de haute puissance. 

 

Cependant, de nombreux paramètres affectent les performances de transfert de chaleur des systèmes de pulvérisation, notamment les paramètres de pulvérisation (type de buse, débit, angle de pulvérisation, etc.), les types de fluide de travail, la modification de surface et les paramètres environnementaux.  

 

Des systèmes de refroidissement par pulvérisation ont été conçus pour les ordinateurs et les centres de données à haute performance, les engins spatiaux, les véhicules électriques hybrides et les cuves sous pression des réacteurs, mais n'ont pas été industrialisés à grande échelle.  

 

Par ailleurs, les appareils électroniques actuels ont tendance à être plus miniaturisés et intégrés. Comment adapter les systèmes complexes de refroidissement par pulvérisation à l'espace limité des petits appareils électroniques ? Il s’agit là d’un enjeu essentiel pour développer davantage l'application de la technologie de refroidissement par pulvérisation. 

 

 

Jin Y. et al, Spray Cooling as a High-Efficient Thermal Management Solution: A Review, Energies 2022, 15, 8547. Voir dans FRIDOC.

Zhang T., Advanced Study of Spray Cooling: From Theories to Applications, Energies 2022, 15, 9219. Voir dans FRIDOC.