Reduction of non-linear thermal models by modal reduction method applied to the modeling of complex electronic components.
Réduction de modèles thermiques non-linéaires par méthode modale appliquée à la modélisation de composants électroniques complexes.
Résumé
The miniaturization of electronic components is accompanied by an augmentation in the density of dissipated thermal power : Thermal science has become a limiting criterion during the design of electronic boards. The emergence of new and more complex technologies requires a re-evaluation of traditional methods of electronics thermal modeling. As such, Thales group team and Thermal and Energy team of the Laboratory of Mechanics and Energetics of Évry have been collaborating in order to evaluate a modal reduction method. The modal methods consist of finding the solution in the form of a weighted sum of elementary fields called modes. These modes are calculated by numerically solving a problem with the eigenvalues. When a small number of modes is enough to reconstruct correctly the temperature field, then these methods reduce effectively the problem posed and the associated computation times. However, most reduction methods focus on linear models, whereas the microchip, which forms the active and essential part of the electronic component, is made of materials whose conductivity decreases significantly with temperature, leading to a notable increase in the maximum temperature. Incorporating this non-linearity requires recalculating the temperature and conductivity matrix in the physical space and then assessing its evolution in the modal space at each iteration. These operations significantly reduce the efficiency of the reduced model in terms of computational time. Therefore, the goal of this thesis is to propose a solution that efficiently addresses nonlinear problems using reduced models, while maintaining the geometric and functional complexity. This approach allows the simulation of different cooling configurations for the same component, considering multiple activation combinations that require numerous additional calculations. In parallel to this theoretical work, a software engineering work was carried out in order to ensure the technological transfer from the laboratory to the industry, in particular the connection between the software suite used by Thales and the research code developed by the LMEE.
La miniaturisation des composants électroniques s'accompagne d'une augmentation de la densité de puissance thermique dissipée : la thermique est devenue un critère limitant lors de la conception de carte électroniques. L'émergence de nouvelles technologies plus complexes nécessite de réévaluer les méthodes traditionnelles de modélisation thermique de l'électronique. A ce titre, le groupe Thales Group et l'équipe Thermique et Énergie du Laboratoire de Mécanique et d'Energétique d'Evry collaborent afin d'évaluer une méthode de réduction modale. Les méthodes modales consistent à rechercher la solution sous la forme d'une somme pondérée de champs élémentaires, ces derniers étant appelés modes. Ces modes sont calculés en résolvant numériquement un problème aux valeurs propres. Lorsqu'un faible nombre de modes suffit à reconstruire correctement le champ de température, alors ces méthodes réduisent efficacement le problème posé et les temps calcul associés. Toutefois, la plupart des méthodes de réduction se concentrent sur les modèles linéaires, alors que la micropuce, qui constitue la partie active et essentielle du composant électronique, est composée de matériaux dont la conductivité diminue fortement avec la température, entraînant une hausse notable de la température maximale. L'intégration de cette non-linéarité nécessite de recalculer la matrice de température et de conductivité dans l'espace physique, puis d'évaluer son évolution dans l'espace modal à chaque itération. Ces opérations diminuent considérablement l'efficacité du modèle réduit en termes de temps de calcul. L'objectif de cette thèse est donc de proposer une solution permettant de traiter efficacement les problèmes non-linéaires avec des modèles réduits, tout en respectant la complexité géométrique et fonctionnelle. Cela permet de simuler différentes configurations de refroidissement pour un même composant, en tenant compte des multiples combinaisons d'activation nécessitant de nombreux calculs supplémentaires. Parallèlement à ces travaux théoriques, un travail d'ingénierie logicielle est mené afin d'assurer le transfert technologique du laboratoire vers l'industrie, en particulier la connexion entre la suite logicielle utilisée par Thales et le code de calcul de recherche développé par le LMEE.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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