Société Française de Thermique - Des mini/micro technologies … · 2017. 6. 7. · Journée SFT...

1Journée SFT du 1er Décembre 2005, A. LARUE de TOURNEMINE, CNES, DCT/TV/TH

Des mini/micro technologies diphasiques pour

le contrôle thermique des satellites

Journée SFT du 1er décembre 2005

«Contrôle thermique des composants électroniques par voie diphasique»

Amaury LARUE de TOURNEMINE, Elise BELLOUARD, E. WERLING

CNES, DCT/TV/TH


Sommaire

1/ La problématique et les tendances du contrôle thermique des satellites.

Pourquoi des mini/micro technologies pour le domaine spatial ?

2/ Quelles mini/micro technologies pour le domaine spatial ?

3/ Des technologies diphasiques prêtes à l’emploi : le retour d’expérience.

Expérience ‘MiniTherm’

4/ Perspectives (court terme & développements technologiques à venir)


1/ Pourquoi des mini/micro technologies pour le domaine spatial ?

DES BESOINS SPATIAUX EN FORTE EVOLUTION

Développer des technologies d’extraction et de transfert de chaleur (calories ou frigories) pour :

⇒ Les plateformes et charges utiles de satellites de Télécommunication GEO, ⇒ Les équipements très dissipatifs (Télécom, observation de la terre, exploration planétaire, … )

⇒ Les cartes électroniques dissipatives,

⇒ Les composants dissipatifs (3D, 2D hyperfréquence, 2D …)

⇒ Des applications à température cryogénique (OT & Science : Plans focaux refroidis à 60/100 K, étage cryogénique intermédiaire à 150 K - TC : LNA à 170 / 220 K, IMUX voire OMUX à 77 K ...)

A tous les niveaux (composants, carte électronique, équipement, satellite) : la puissanceà évacuer ainsi que la densité de flux & la distance de transport augmentent !

INMARSAT 4 HELIOS II MER PLEIADES @BUS



Réduire les gradients à tous les niveaux de la chaîne thermique par extraction et transfert de chaleur vers un puits thermique

(semelle d’équipement, structure, bus thermique, radiateur)Puce / Composant

Support d’équipement / Radiateur

∆T

Composant / Carte Équipements / support

Plusieurs dizaines de Wattsur quelques cm2 …

Répartir la chaleur pour éviter localement les points chauds (fortes densités de puissance / unité de surface)

Boîtier électronique



Quelles technologies de contrôle thermique pour le niveau composant/carte électronique ?

ConductionRayonnement

Caloducs

Boucles diphasiques à pompage capillaire

Boucles diphasiques à pompage mécanique

Boucles monophasiques à pompageé anique

0 10 100 1000 10000 W.m

Capacité de transport comparées de diverses technologies

Boucle monophasique à pompage mécanique

Boucle diphasique à pompage mécanique

Caloduc

Boucle diphasique à pompage capillaire

Capacité de transport

Tech

nolo

gies


2/ Quelles mini/micro technologies Les microcaloducs

Objectifs de ces développements

• Transférer la puissance dissipée par des composants électroniques vers un puits thermique à faible ∆T

• Réduire localement la densité de flux : effet « spreader »

• Fonctionnement en microgravité et contre la gravité

Collaborations Européennes

1/ µHP sur substrat silicium : CEA/LETI, LEG, CETHIL, CNES depuis 2000

2/ µHP “DBC” : Alcatel Alenia Space, Curamik GmbH, LEG, ESA, CNES 2003 - 2004

3/ µHP cuivre : Alcatel Alenia Space, Metal Process, CNES 1999 - 2002


2/ Quelles mini/micro technologies 1/ Microcaloduc cuivre/eau

Technologie Metal Process (Conception et fabrication)

• Dimensions géométriques : 153 x 15 x 3 mm

• Masse : 70 g

• Mèche capillaire : rainures rectangulaires (côté composant) + mèche : toile de cuivre

• Surface d’évaporation : 3 x 1 cm2

• Surface de condensation : 1,5 x 7 cm2 (conception non optimisée et I/F spécifiques à une expérience technologique)

Performances thermiques :

• Limite capillaire (@50°C) : • Rth = 0,4 K/W (10W @ 23°C)

> 25 W position horizontale

> 20 W position verticale

1,5 cm

15,3 cm

Développement à venir (AC) : ‘allègement’ du µHP : enveloppe Aluminium + dépôt Cuivre

(insertion dans la structure d’un boîtier électronique)


2/ Quelles mini/micro technologies 2/ Microcaloduc Silicium/eau

Concept 1 D (fabrication CEA/LETI) :

• Dimensions : 60 x 20 x 1,5 mm (3 x 500µm-wafers)

• Réseau de rainures : 50 x 10 mm2, profondeur =100 to 300 µm, largeur rainure = 90 µm

• Masse : 3 g

• Volume d’eau: ≈ 100 µL

Étapes de la fabrication :

1/ Mèche capillaire : rainures rectangulaires réalisées par un plasma : érosion profonde

2/ Usinage de la cavité vapeur et du trou de remplissage à l’aide d’un LASER

3/ Assemblage des 3 couches par scellement direct silicium/silicium

4/ Recuit haute température (1.100°C) : rend le scellement définitif

5/ Alignements vérifiés par imagerie rayon X

6/ Métallisation autour du trou de remplissage pour souder le tube de remplissage en cuivre

500 µm

Rainures

Tube de remplissage

Assemblage


2/ Microcaloduc Silicium/eau2/ Quelles mini/micro technologies

Fonction ‘spreader’Fonction caloduc

electronic device

cold plate

liquid return

vapor flow capillary wick

adiabatic section condenserevaporator

liquid return by capillarity vapor flow

electronic device

40

60

80

100

120

140

160

0 1 2 3 4 5 6

position on the heat pipe (cm)

Tem

pera

ture

(K)

empty; 11W

filled 11W

P=24WT=50°C

50

70

90

110

0 1 2 3 4 5

position on the spreader (cm)Te

mpé

ratu

re (°

C)

emptyfilled

RTH = 1,5 K/W pour P ∈ [5 ; 25 W]Tpuits = 50, 60, 70°C

RTH = 0,8 K/W pour P ∈ [5 ; 25 W]Tpuits = 40, 50, 60, 70°C

Limite de fonctionnement atteinte pour 25 W (Φ max = 25 W/cm2)


Concept 2D : fonction “Spreader”:

• Objectif initial : 25W/cm2, avec ∆T<10K

• Condenseur périphérique

• Thèse CNES/CEA d’Aymeric LAÏ (15/11/05),

poursuivie par un post-doc CNES (Mariya IVANOVA)

• Optimisation de la conception : Renfort de la structure

(tenue à la mise sous vide et test d’éclatement)

• Dimensions : 50 x 50 x 1 mm (2 plaques de 500µm)

• Volume d’eau: ≈ 600 µL

• Utilisation des modèles du CETHIL :

- Modèle hydrodynamique : prédiction de la capacité de transport associée à une masse de fluide.

Forte influence de la valeur de l’angle de contact sur les résultats

- Modèle thermique : prédiction du ∆T

• Optimisation de la masse de fluide par le LEG (méthode expérimentale)

Microcaloduc silicium ‘Spreader’

2/ Quelles mini/micro technologies 2/ Microcaloduc Silicium/eau

Zone d’évaporation

5 cm

1 cm


2/ Microcaloduc Silicium/eau2/ Quelles mini/micro technologies

Montage expérimental :Mesures par thermographie IR (evap, adiab.)

Thermocouple : condenseur

Résultats de mesures :

Densité de flux maximale atteinte : 70 W/cm2 !(limitation : T°max composant d’injection de la puissance)


3/ Microcaloduc « DBC »2/ Quelles mini/micro technologies

Technologie « DBC » Direct Bounded Copper

Copper

Groove forthermocouplemeasurements

Alumina

Fixing holesFilling tubes

80

30

Heat pipe thickness :2.7 to 3 mm depending

the internal design

• Travaux de R&T cofinancée ESA / CNES

• Fabrication Curamik (Allemagne) :

• 2 couches DBC (Cu/Al2O3/Cu), 1 micro HP cuivre

• Dimensions : 80 x 30 x 3 mm

• Mèche capillaire : matériaux fibreux (fibres AL2O3/SiO2)

• Volume d’eau ≈ 1.000 µL


2/ Quelles mini/micro technologies 3/ Microcaloduc « DBC »

Conditions d’essais :

• La masse de fluide optimale est ajustée expérimentalement

• Surface évaporation : 1,2 cm2, Surface condensation : 6 cm2

• Tpuits ∈[50 ; 60°C]

• P ∈[10 ; 130 W]

• Résultats (Rth) indépendants de la position verticale ou horizontale

• La résistance thermique augmente à partir de 100W (limite capillaire ?)

Densité de flux maximale atteinte : 97 W/cm2 !


Mini boucle fluide2/ Quelles mini/micro technologies

Objectif du développement :

VPCB ASTRIUMPSR ASTRIUM

Rappel des principales spécifications initiales :- Puissance à transporter : entre 0,5 et 50 W

- Gamme de température opérationnelle [0 ; 80 °C]

- Masse de la boucle (hors système de fixation) inférieure à 100 g

- Conductance de la boucle > 1 W/K

- Fonctionnement contre la gravité : 50 cm

- Durée de vie : 15 ans

- Fonction inhibition requise

- Système passif (hors inhibition)

Quelle technologie ???


Mini Loop Heat Pipe2/ Quelles mini/micro technologies

• Mini Loop Heat Pipe :

Fabrication EHP (Be.)

•Début de la collaboration CNES – ASTRIUM : 1999(participation ESA au début du développement)

Corps inox

• Après plusieurs évolutions technologiques ...

Brasure

Semelle cuivre‘Spreader’

Évaporateur de Mini LHP1ére génération Évaporateur de Mini LHP

2nd génération

Évaporateur de Mini LHP3ème génération



• Performances thermiques :

• Fonctionnement contre la gravité : jusqu’à 50cm

• Inhibition de la boucle : OK (avec injection de puissance de moins de 10% P_évaporateur)



Programmes CNES – ASTRIUM en cours :

• Durée de vie : essais continus en parallèle de 6 mini LHP (2 Tpuits + cyclage). Succesfull depuis 1 an !

• Amélioration des performances : hauteur de pompage et coefficient d’échange à l’évaporation : 2006.

• Démonstrateur carte électronique pour le spatial (grand plan focal, senseur stellaire, ...) : 2006/2007

Démonstrateur Carte électronique :Partenariat CNES – EADS ASTRIUM Vélizy et Toulouse


3/ Des technologies prêtes à l’emploi Expérience MiniTherm

MESURE EN MICROGRAVITE DES PERFORMANCES DE 3 TECHNOLOGIESExpérience ‘MiniTherm’

• Collaboration ESA (ticket de vol & électronique) / CNES (technologies)

Mini LHP R&T CNES / ASTRIUM

µHP DBC R&T ALCATEL/CURAMIK/CNES/ESA

µHP DBC R&T ALCATEL/METAL PROCESS/CNES

• Expérience Minitherm :

Capsule FOTON

Intégration de la capsule sur le lanceur à Baïkonour (Russie)


0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

0 5 10 15 20 25 30 35

Power (w)

LHP

tota

l the

rmal

con

duct

ance

(W/K

)

C LHP before VibrationC LHP after vibrationC ModelCLHP EstecCLHP Samara1 In-orbit Tests

Rcorps évap.

Rplaque

Rcannelures

Tf

Rmèche/vapeur

Rmèche/liquide

Q3

Q3/L Cp (Tcav-Tf)

Q2

Q0

Q1

Tcav

Tsat

Vapeur

Rcorps évap.

Rplaque

Rcannelures

Tf

Rmèche/vapeur

Rmèche/liquide

Q3

Q3/L Cp (Tcav-Tf)

Q2

Q0

Q1

Tcav

Tsat

Vapeur

Mini LHP model parameters

1/Rplaq = 11 W/K1/Rwick = 0,04 W/K1/Rbody = 0,07 W/K

3/ Des technologies prêtes à l’emploi Expérience MiniTherm

Résultats vol de la mini LHP : MÊMES PERFORMANCES 1g/0g

Essais en orbite de deux modes de fonctionnement :1/ Transport de la chaleur (fonctionnement passif de la mini LHP),2/ Régulation de la température de l’évaporateur (injection d’une puissance auxiliaire sur la cavité). !Succesfull


Expérience MiniTherm3/ Des technologies prêtes à l’emploi

Résultats vol du micro caloduc Cuivre/eau : MÊMES PERFORMANCES 1g/0g

Con

duct

ance

W/K

Température condenseur

Résultats vol du micro caloduc DBC : MÊMES PERFORMANCES 1g/0g

Température condenseur

Con

duct

ance

W/K


Expérience MiniTherm3/ Des technologies prêtes à l’emploi

Synthèse de l’expérience ‘MiniTherm’ :

• Technologies (mini LHP et miniHP) qualifiées aux normes du domaine spatial - Mini LHP et micro HP Metal Process qualifiés environnement ARIANE5

(vibrations, chocs, EMC, ESD)- Micro HP DBC : qualifié FOTON M2, lanceur Soyouz (vibrations)

Micro caloduc Metal Process

Micro caloduc Curamik

Mini évaporateur ASTRIUM

• Vérification des performances en microgravité(transfert de la chaleur et contrôle en température pour la mini LHP)

Effet réduit de la microgravité attendu (et vérifié !) sur les mini technologies


4/ Perspectives (court terme & développements technologiques à venir)

Perspectives à court terme

• Programmes de démonstrateurs : mini LHP (ASTRIUM) et micro caloduc (ALCATEL)• Utilisation opérationnelle des technologies développées !

Le point dur subsistant : problématique de la durée de vie

Développements technologiques à venir ?

Micro boucle fluide (étude en cours : besoin dans le domaine spatial ? Faisabilité ?)

(Quelles dimensions ? Quels matériaux/substrats ? Quelle technologie ? Pompage mécanique, capillaire ?)

• Le mariage des technologies : utilisation mixte micro HP/mini boucle fluide (?)

Mini/Micro système oscillant ? Fonctionnement en microgravité ?

(Thèse en cours CNRS/CNES, LET/CETHIL)

A suivre .....

Spray cooling ?

Micro pompe piézo DebioTech(Suisse)

Micro CPL, Univ. Californie (US)

Mini MPL 1ϕThermacore (US)

Spray VIDA (US)

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