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1 CETHIL - Centre d-Energétique et de Thermique de Lyon

Abstract : The purpose of the studied thermal damper is to smooth the temperature peaks of transient electronic components via a composite structure consisting of an array of carbon nanotubes CNT filled with solid-liquid phase change material PCM, the whole being embedded in a silicon Si casing. This passive system is intended to increase the thermal inertia per unit of volume of the electronic component thanks to the latent heat of the PCM while maintaining a high thermal conductance thanks to the CNT. A versatile test bench was specifically developed in order to characterize the different generations of samples fabricated by the partners of the THERMA3D project. The thermal excitation of the front side of the sample is generated by a laser and the thermal response is measured simultaneously on the front and back sides by an infrared camera. A selected paint can be deposited on the sample in order to access its temperature by means of a dedicated calibration. Parameter estimation methods were developed in order to quantify both main characteristics of the thermal damper: its heat storage capacity and its thermal resistance. The sensitivities of the thermal resistance to the features of the Si-CNT connection and to the length of the CNT were studied and it was found out that the interfacial thermal resistances Si-CNT are dominant in the system. Thermal cycling tests enabled to assess the reliability of the thermal damper in an accelerated manner. The behavior of the PCM and the quality of the sealing material were optically analyzed. Besides, the infrared visualization of the CNT array through the semi-transparent silicon enabled to identify the highest of both Si-CNT interfacial thermal resistances. Finally, a non-destructive testing method for the evaluation of the quality of Si-CNT interfaces was developed for the latest generation of thermal dampers.

Résumé : L’amortisseur thermique étudié dans le cadre de cette thèse a pour objectif de limiter les pics de température des composants électroniques fonctionnant en régime transitoire au moyen d’une structure composite consistant en un réseau de nanotubes de carbone NTC rempli de matériau à changement de phase MCP solide-liquide, le tout étant contenu dans un boîtier en silicium Si. Ce système passif vise à augmenter l’inertie thermique volumique du composant grâce à la chaleur latente du MCP tout en maintenant une bonne conductance thermique grâce aux NTC. Un dispositif expérimental polyvalent a été développé spécifiquement pour caractériser les différentes générations d’échantillons fabriqués par les partenaires du projet THERMA3D. L’excitation thermique de l’échantillon est réalisée au moyen d’un laser en face amont et la réponse thermique est mesurée par caméra infrarouge simultanément sur les faces amont et aval. L’application d’une peinture sélectionnée sur l’échantillon permet d’accéder à sa température après un étalonnage dédié. Des méthodes d’estimation de paramètres ont été développées pour quantifier les deux caractéristiques essentielles de l’amortisseur thermique que sont sa capacité de stockage thermique et sa résistance thermique. Les sensibilités de la résistance thermique aux caractéristiques de la connexion Si-NTC et à la longueur des NTC ont été étudiées et les résistances thermiques d’interface Si-NTC ont été identifiées comme dominantes au sein du système. Des essais de cyclage thermique ont permis d’évaluer la fiabilité de l’ensemble de manière accélérée. Le comportement du MCP et la qualité du matériau de scellement ont été analysés par voie optique. Par ailleurs, la plus élevée des deux résistances thermiques d’interface Si-NTC a été localisée grâce à la visualisation infrarouge du réseau de NTC à travers le silicium semi-transparent. Enfin, une méthode de contrôle non destructif de la qualité de l’interface Si-NTC a été développée pour les amortisseurs thermiques de dernière génération.

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Keywords : Thermic Phase change materials MCP Heat Thermal resistance Heat storage Thermal cycling Energy Damping Carbon nanotube

Mots-clés : Thermique Matériau à changement de phase Chaleur Résistance thermique Stockage de chaleur Cyclage thermique Amortissement énergie Nanotubes de carbone





Autor: Christophe Kinkelin -

Fuente: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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