Chambres à vapeur ultra-minces en silicium embarquées pour l’atténuation de points chauds sur les dispositifs de la microélectronique - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Embedded ultra-thin silicon vapor chambers for the cooling of microelectronics devices hotspots

Chambres à vapeur ultra-minces en silicium embarquées pour l’atténuation de points chauds sur les dispositifs de la microélectronique

Résumé

Thermal management, and more precisely hotspots attenuation, have nowadays become one of the most critical aspect in the design of microelectronic components, especially in the case of compact mobile applications. The work presented in this manuscript deals with the design, the fabrication and the characterization of an ultra-thin silicon vapor chamber integrating a micropillars capillary wick. It is designed to be directly embedded on the backside of a CMOS component in order to reduce hotspots intensity. A vapor chamber is a passive phase-change cooling device, which evaporation and condensation cycles leads to significantly higher heat transfer performances compared to classical heat spreading solution. The miniaturization of such devices has been studied using analytical and numerical models and lets consider total thicknesses lower than 600 µm in the case of 1x1 cm2 chips dissipating until 10 W. A microfabrication process flow, compatible with the presence of a CMOS component on the front side, has been developed and allows the fabrication of devices from two microstructured silicon wafer, assembled by a low temperature direct bonding process. The device operating is experimentally verified and an estimation of the optimal performances, realized using a numerical model, exhibits significantly higher performances compared to a copper heat spreader with the same dimensions. An innovative collective wafer level filling and sealing approach has also been developed using Au-Au direct bonding at room temperature and allows, for the first time, the fabrication of a silicon vapor chamber with no filling hole.
La gestion thermique et plus particulièrement l’atténuation des points chauds est devenue l’un des aspects les plus critiques dans la conception de circuits microélectroniques, notamment dans le cas d’applications nomades compactes. Le travail présenté dans ce manuscrit concerne la conception, la fabrication et la caractérisation d’une chambre à vapeur ultramince en silicium composée d’un réseau capillaire à base de micropiliers. Cette dernière est conçue pour être directement embarquée en face arrière d’une puce CMOS dans le but de réduire l’intensité des points chauds. Une chambre à vapeur est un dispositif de refroidissement passif à changement de phase, dont les cycles d’évaporation et de condensation permettent un transfert de chaleur beaucoup plus performant que les répartiteurs de chaleur traditionnels. Le potentiel de miniaturisation d’un tel dispositif a été étudié à l’aide de modèles analytiques et numériques et permet d’envisager des épaisseurs inférieures à 600 µm dans le cas de puces de 1 x 1 cm2 dissipant des puissances jusqu’à 10 W. Un procédé de fabrication compatible avec la présence d’un circuit CMOS sur la face avant a été développé et permet la fabrication de dispositifs à partir de deux plaques de silicium structurés et assemblés à l’aide d’un procédé de collage direct à basse température. Le fonctionnement du dispositif est vérifié expérimentalement et une estimation des performances optimales, réalisée à l’aide d’un modèle numérique, montre des performances supérieures à celles d’un répartiteur de chaleur en cuivre de même dimensions. Une approche innovante de remplissage et de scellement collective à l’échelle d’un wafer par collage direct Au-Au à température ambiante a également été développée et permet, pour la première fois, la fabrication de chambre à vapeur en silicium sans avoir recours à un trou de remplissage.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03685218 , version 1 (02-06-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03685218 , version 1

Citer

Quentin Struss. Chambres à vapeur ultra-minces en silicium embarquées pour l’atténuation de points chauds sur les dispositifs de la microélectronique. Electronique. Université de Lyon; Université de Sherbrooke (Québec, Canada), 2020. Français. ⟨NNT : 2020LYSEI131⟩. ⟨tel-03685218⟩
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