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

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

• Auteur / Autrice : Quentin Struss
• Direction : Luc G. Fréchette, Abdelkader Souifi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, micro et nanoélectronique, optique et laser
• Date : Soutenance le 18/12/2020
• Etablissement(s) : Lyon en cotutelle avec Université de Sherbrooke (Québec, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône) - Institut des Nanotechnologies de Lyon / INL - LN2 - Laboratoire Nanotechnologies et Nanosystèmes [Sherbrooke]
• Jury : Président / Présidente : Aida Todri-Sanial
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luc G. Fréchette, Abdelkader Souifi, Aida Todri-Sanial, Yvan Avenas, Irina Martin Graur
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aida Todri-Sanial, Yvan Avenas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes sur puce

Circuits intégrés

Microélectronique

Mots clés libres

Microélectronique

Chambre à vapeur silicium

Refroidissement passif

Transfert de chaleur

Changement de phase

Intégration 3D

Réseau de micropilliers

Dimensionnement

Microfabrication

Etude experimentale

Puces 3D

Microelectronics

Silicon vapor chamber

Passive cooling

Heat transfer

Phase change

3D integration

Micropillars array

Design

Microfabrication

Experimental study

3D chips

Résumé

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.

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.