Chambres à vapeur ultra-minces en silicium embarquées pour l'atténuation de points chauds sur les dispositifs microélectroniques

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. Du fait de leur encombrement, leur consommation d'énergie ou encore leur besoin en entretien, les systèmes actifs basés sur la convection forcée à air ou à l'aide d'un liquide réfrigérant sont difficilement intégrables dans de tels dispositifs, tandis que les dispositifs de refroidissement passifs classiques présentent des perf01mances limitées. La solution proposée dans ce projet de thèse prend la forme d'une chambre à vapeur ultramince en silicium. Il s'agit d'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 tout en pe1mettant urte indépendance énergétique et un fonctionnement autonome et auto-ajustable. L'objectif de ce projet a été la conception, la fabrication et la caractérisation d'une chambre à vapeur ultra-mince 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 1 dans le but de réduire l'intensité des points chauds. Le potentiel de miniaturisation d'un tel dispositif a été étudié à l'aide de modèles analytiques et numériques en se basant sur les limites de fonctionnement de dispositifs équivalents et permet d'envisager des épaisseurs totales inférieures à 600 μm dans le cas de puces de 1 x 1 cm2 dissipant des puissances inférieures à 10 W. Un procédé de fabrication, compatible avec la présence d'un circuit CMOS sur la face avant, a été développé en salles blanches académique et semi-industrielle et a permis la fabrication de prototypes avec une épaisseur active de 200 μm, à partir de deux plaques de silicium structurées et assemblées à l'aide d'un procédé de collage direct à basse température. Cette approche de collage, innovante pour ce type de dispositif, a été éprouvée expérimentalement avec succès jusqu'à des températures supérieures à 150 °C. Le fonctionnement des prototypes a été vérifié expérimentalement et une estimation des· performances optimales, réalisée à l'aide d'un modèle numérique, montre qu'un dispositif aminci à 600 μm présente une résistance thermique de près de 1.2 K.w-1 inférieure à celle d'un répartiteur de chaleur en cuivre de même épaisseur. Une approche de remplissage et de scellement par collage direct Au-Au à température ambiante a été développée et permet pour la première fois la fabrication de chambre à vapeur en silicium sans avoir recours à un trou de remplissage. Bien que le procédé reste à optimiser, cela constitue une étape importante vers le développement d'une solution de remplissage et de scellement collective à l'échelle d'une plaque de silicium, afin d'envisager une production à l'échelle industrielle

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

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

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

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

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

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

Embedded Vapor Chamber in Microelectronics Devices

National audienc

Embedded Vapor Chamber in Microelectronics Devices

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Theoretical Study of Miniaturization of a Silicon Vapor Chamber for Compact Microelectronics

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Theoretical Study of Miniaturization of a Silicon Vapor Chamber for Compact Microelectronics

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Impact of Micropillar Density Distribution on the Capillary Limit of Heat Pipes

International audienceAbstract This paper shows the performance enhancement of heat pipes by tailoring the density distribution of micropillar wicks to minimize viscous pressure loss while maintaining sufficient capillary pumping. In a heat pipe, capillarity and permeability are linked, since small pores create higher capillary pumping while unfortunately inducing more pressure drop along the heat pipe. This pressure loss accumulates along the heat pipe, leading to a non-uniform pressure difference between the liquid and vapor. Therefore, we do not need a uniform capillary pressure to withstand this difference. This provides the opportunity to spatially tailor the wick structure, aiming for a high capillarity to pump the liquid, but a low permeability to induce less pressure loss. Our study offers a compromise between capillarity and permeability by designing the density distribution of the pillar wick structure. This density distribution, which was not studied before, will be shown to enhance the heat pipe performance. The theoretical models show that a tailored density distribution can enhance the heat pipe performance by a factor of 1.5. To support this result, ‘rate of rise’ measurements along a pillar array demonstrate that the liquid pressure loss in a tailored density array are less compared to a constant pillar density

Design and fabrication of an ultra-thin silicon vapor chamber for compact electronic cooling

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