Graphite Pyrolytique encapsulé APG K-Core
Développement & Fabrication chez Aavid Thermacore Europe
Aavid Thermacore Europe, entreprise basée au Royaume-Uni, est leader dans la conception et la fabrication européenne de K-Core APG technologie de refroidissement par conduction.
La technologie utilisée est l’encapsulation de graphite recuit pour diffuser la chaleur des cartes électronique de puissance dans les domaines suivants : Aéronautique, Spatial, Militaire et application commerciales. Le graphite pyrolytique est inséré dans un matériau “parent”, le plus souvent de l’aluminium, mais il est aussi possible de l’encapsuler dans des alliages de cuivre, fibre de carbone, kapton ou encore du magnésium.
Le Composite K-Core APG ainsi réalisé peut être 3 à 4 fois plus conducteur thermiquement que l’aluminium qui aura servi à l’encapsuler.
Aavid Thermacore Europe a été récemment impliqué dans le programme de l’Agence Spatiale Européenne « ESA Artes 14 NeoSAT Technology, K-Core Transfer & Development Programme »
De Janvier 2015 à Octobre 2016, en coopération avec Airbus Defence & Space & Thales Alenia Space, Aavid Thermacore Europe a développé un radiateur spatial pour la prochaine génération de satellites. Ce projet a permis l’investissement dans l’outil de fabrication en Europe ainsi que le transfert technologique depuis Aavid Thermacore Inc USA vers Aavid Thermacore Europe UK
Figure 1: de gauche à droite; radiateur spatial NeoSAT K-Core APG; pièce de structure & conduction Solar Orbiter EUI , éléments de conduction METIS
Un autre exemple concret de l’implication d’Aavid Thermacore Europe dans les projets de l’Agence Spatiale Européenne ESA, c’est la fourniture du K-Core APG pour les charges utiles de 3 différents équipements dans le satellite d’observation du Soleil « Solar Orbiter »dont la mise en orbite est prévue pour 2018.
Le premier équipement est l’Extrême Ultraviolet Imager (EUI), le second est le Spectral Imaging of the Coronal Environment (SPICE) où un radiateur en K-Core APG a été développé pour remplacer la pièce de structure qui était en aluminium monolithique. L’utilisation du Kcore a réduit la masse et a amélioré significativement la performance de l’instrument grâce à la dissipation thermique.
La troisième est le Multi Elément Télescope for Imaging and Spectrosopy (METIS) où des pièces de structures en K-core APG ont été fabriquées et connectées avec des straps flexibles thermiques au Stood Off Radiator Assembly (SORA).
Figure 2: gauche à droite (haut); radiateurs Solar Orbiter K-Core APG SPICE & EUI Stood off Radiator Assemblies (SORA). (bas); Pièces de structures en K-core APG Solar Orbiter METIS.
La figure 3 présente le matériau anisotrope K-Core APG avec une conductivité dans le plan de 1700 W/m-K (à température ambiante), soit l’équivalent de plus de 4 fois la conductivité du cuivre (400W/m-K). Le fait que la diffusion chaleur se fasse dans la direction horizontale permet de sélectionner cette technologie quand l’espace et la profondeur sont limités. La conductivité perpendiculaire étant d’environ 12 W/m-K. Cette très faible conductivité est compensée dès la conception par l’ajout de vias thermiques comme présenté à la figure 3 ainsi qu’au matériau de base servant à l’encapsulation (aluminium ou cuivre)
Figure 3 – Matériau APG Aavid Thermacore® Europe
A partir de ces propriétés, le K-Core APG est adapté pour la conception et la fabrication de dissipateurs. L’aluminium ou le cuivre comme matériau d’encapsulation permettent de faire des variantes avec des ailettes de refroidissement. Dans ce cas les ailettes aluminium seront moins chères et plus légères que les ailettes en cuivres pour relever les challenges de vos projets.
Figure 4 – In-Plane/Through Plane Thermal Conductivity
Le matériau K-Core APG est un composite avancé de pyrocarbone et d’un matériau “parent”, la combinaison des deux améliore significativement la dissipation thermique. La couche de graphite n’est jamais utilisée seule, mais toujours encapsulé pour éviter l’oxydation dans un matériau tels que le cuivre, la fibre de carbone, le Kapton ou encore le magnésium, en fonction du cahier des charges mécanique de l’application. Le K-Core APG est découplé de l’encapsulation (pas de collage).
Le K-Core APG présente des arguments techniques pour être la solution idéale en aéronautique et spatial. Les points clés et les bénéfices sont les suivants :
- Le K-Core est plus léger que la plupart des matériaux d’encapsulation et permet d’avoir un gain direct de 5% de masse minimum par rapport à un drain aluminium traditionnel.
- Bien qu’avec des performances thermiques supérieures, le K-Core permet à l’Ingénieur d’utiliser cette solution en lieu et place sans changer le design mécanique. Cette conduction thermique améliorée rend possible la réduction de masse ou encore l’augmentation de la puissance (W) électronique ou de la densité de composants.
- C’est une solution totalement passive et la dissipation n’est aucunement impactée par la gravité ou les accélérations.
- Les pics de température des semi-conducteurs sont significativement réduits (voir figure 7), il y a un réel impact au niveau de la conductivité thermique.
- La plage de fonctionnement en température est très large : -123°C (150k) to +125°c (398k) (voir Figure 5)
- L’usinage de l’encapsulant est possible de même que les traitements de surfaces.
- Montage direct sur semi-conducteur possible, gestion de la dilatation (CTE- matched).
- Encapsulation totalement hermétique, durcie et résistante aux agressions et dommages.
- Flexibilité dans la conception en fonction des besoins du Client (voir Figure 6)
Figure 5 – Conductivité thermique dans le plan
Figure 6 – exemple de configuration du K-Core APG
Aavid Thermacore Europe a livré le K-Core APG dans une grande variété d’applications critiques pour l’aéronautique civile et militaire. Aavid Thermacore travaille aussi sur les facteurs de formes COTS (Commercial Off-The-Shelf). Ces plaques froides répondent aussi aux dernières évolutions du VME64x/VPX en option par rapport aux drains aluminium.
Figure 7 – Plaque froide 6U K-Core Aluminium
| Aluminium de base (Température de surface Max– 115°C) |
| K-Core APG (Température de surface Max – 97 °C) |
Figure 8 – Plaque froide Aluminium versus Plaque froide 6U K-Core. Le Mappage de la CFD montre que la température de surface a été réduite de 18°C par rapport à un drain en aluminium classique.
Figure 9 – Photos de la ligne de fabrication K-Core chez Aavid Thermacore Europe Ltd (UK)
Figure 10 – Etapes de Fabrication du K-Core APG chez Aavid Thermacore Europe Ltd (UK)
Press release Factory : Aavid Tdhermacore Europe Ltd
Unit 12 Wansbeck Business Park, Ashington, Northumberland, United Kingdom, NE63 8QW
Inquiry – Quotation – Orders : Sébastien Maredj – Thermacore France Technical Sales
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1 Octobre 2018 : Devis prix présentation techniques : contactez votre représentant en France – Suisse – Belgique ou directement à l’usine Anglaise :Adresse usine : Unit 12/Wansbeck Business Park/Rotary Parkway, Ashington NE63 8QW, Royaume-Uni / +44 1670 859500
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