Caloduc plastronique pour le refroidissement direct de composants électroniques de puissance – CAPREP

L’électrification des moyens de transports passe par la mise au point de convertisseurs de la tension continue de la batterie vers une tension alternative pour la motorisation des véhicules. Une augmentation des performances de ces convertisseurs de puissance impose l’utilisation de composants d’électroniques de puissance ayant de très bonnes performances comme, par exemple, des transistors à base d’arséniure de Gallium (GaN). La conséquence est une très forte densité de puissance à dissiper en chaleur (> 500 W/cm2). Ce projet a pour but de proposer une gestion thermique innovante de ce type de convertisseur en réalisant en une seule pièce le dispositif d’évacuation de la chaleur des transistors vers le milieu ambiant. Une enceinte permettant le contact thermique direct entre les boitiers des transistors et un liquide, idéalement l’eau, forme l’évaporateur d’un caloduc. Le condenseur, sous forme d’ailettes creuses, complète cette pièce unique réalisée entièrement en polymère technique comportant un mince dépôt de cuivre, le tout réalisé par des techniques de plastronique. Le dissipateur ainsi conçu permet d’éliminer les résistances de contact qui sont prépondérantes dans un assemblage classique. Le projet est divisé en six lots. Le lot 1, qui repose sur des travaux antérieurs entre les partenaires, a pour objectif de concevoir, développer et caractériser des caloducs plastroniques par assemblage de pièces imprimées en 3D par stéréolithographie. La visualisation des phénomènes physiques opérant au sein du caloduc - ébullition sur la surface chauffée et condensation dans les ailettes creuses - permettra une meilleure compréhension de ses limites de fonctionnement et de mettre en œuvre des méthodes efficaces pour les repousser. Le lot 2 explore les possibilités de fabrication et de fonctionnement d’un caloduc par un procédé industrialisable, nécessitant l’utilisation d’un polymère thermoplastique de type polycarbonate. Même si, à ce stade, les pièces seront réalisées par des procédés de type thermoformage et extrusion, les formes choisies seront compatibles avec une filière par injection. La démonstration d’une solution de démantèlement du dispositif plastronique est prévue. Le lot 3 recherchera le polymère thermoplastique optimal vis-à-vis des critères de choix pour le caloduc, des contraintes de fabrication et de recyclabilité. Dans le lot 4, trois véhicules de test électroniques seront conçus en PCB classique, puis par plastronique. Trois évolutions seront considérées : densification du positionnement des transistors GaN les uns par rapport aux autres, augmentation de la fréquence de hachage, conception d’un convertisseur de forte puissance (30 kW). Le lot 5, dédié à la fabrication des caloducs, approvisionnera les autres lots. Enfin, le lot 6 s’attachera à l’Analyse du Cycle de Vie des dispositifs réalisées pour en évaluer les impacts environnementaux, par exemple, la réduction de la masse, et sera relié à des indicateurs technologiques comme la recyclabilité. Le projet CaPReP, coordonné par le Centre d’Energétique et de Thermique de Lyon (CETHIL) associe les équipes Electronique de Puissance et Plastronique du laboratoire AMPERE, ainsi que l’Institut des Matériaux Polymères (IMP). La méthodologie de co-conception électronique/thermique développée présente un grand intérêt notamment pour explorer différentes voies d’amélioration en électronique. Grâce à la collaboration de partenaires reconnus, ce projet pluridisciplinaire à fort potentiel d'innovation permettra le passage de la technologie « caloduc plastronique » du TRL3 au TRL4, répondant ainsi à de forts enjeux scientifiques, technologiques et environnementaux. Les résultats du projet seront de nature à générer des contrats avec les industries de la plasturgie ou de l’électronique.