Intégration de microcanaux pour l'évacuation forcée de la chaleur au sein de puces 2D et 3D

par Louis-Michel Collin

Thèse de doctorat en Electronique, micro et nano-électronique, optique et laser

Sous la direction de Luc Fréchette et de Abdelkader Souifi.

Soutenue le 08-07-2016

à Lyon en cotutelle avec l'Université de Sherbrooke (Québec, Canada) , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône) (laboratoire) et de Institut des Nanotechnologies de Lyon / INL (laboratoire) .

Le président du jury était Richard Arès.

Le jury était composé de Luc Fréchette, Abdelkader Souifi, Richard Arès, Laurent Béchou, Gabriela Nicolescu.

Les rapporteurs étaient Laurent Béchou, Gabriela Nicolescu.


  • Résumé

    En microélectronique, plusieurs tendances telles que l'empilement 3D et l'amincissement de puces amènent des défis thermiques grandissants. Ces défis sont exacerbés lorsqu'appliqués aux appareils mobiles où l'espace et la puissance disponibles pour le refroidissement sont limités. Le but de cette thèse est de développer des outils de conception et méthodes d'implémentation de microcanaux pour le refroidissement microfluidique de puces 2D et 3D avec points chauds destinés aux appareils mobiles.Une méthode de conception pour optimiser la configuration des microcanaux refroidissant une puce est développée utilisant un plan d'expériences numériques. La configuration optimisée propose le refroidissement à une température maximale de 89 °C d'un point chaud de 2 W par un écoulement où la perte de charge est plus petit que 1 kPa. Des prototypes avec différents empilements et distributions de microcanaux sont fabriqués par gravure profonde et apposés par pick-and-place. Un banc de caractérisation et une puce thermique test sont fabriqués pour caractériser expérimentalement les prototypes de refroidissement avec différentes configurations. Un prototype avec microcanaux limités aux alentours des points chauds et reportés sur la face arrière de la puce test atteint une résistance thermique de 2.8 °C/W. Cela est réalisé avec un débit de 9.4 ml/min et des pertes de charges de 19.2 kPa, soit une puissance hydraulique de 3 mW. Ce refroidissement extrait 7.3 W générés sur un seul serpentin à un flux thermique de 1 185 W/cm² pour un coefficient de performance de 2 430. Les résultats de l'optimisation suggèrent que la dissipation thermique soit exploitée en ajoutant des microcanaux en parallèle, plutôt qu'en allongeant les microcanaux. On observe expérimentalement comme numériquement que la résistance liée à la hausse de température du fluide domine la résistance totale. Enfin, il apparaît que les différents empilements ont un effet plus important sur la résistance thermique que les distributions de microcanaux dans les plages observées.

  • Titre traduit

    Microchannel integration for forced heat removal on 2D and 3D chips


  • Résumé

    In microelectronics, trends such as 3D stacking and die thinning bring major thermal challenges. Those challenges are exacerbated when applied to mobile devices where the available space and power for cooling are limited. This thesis aims at developing design tools and implementation techniques for microchannels cooling on 2D and 3D chips with hot spots for mobile devices. A design technique to optimize the microchannel configuration for chip cooling is developed using numerical experimentation plans. The optimized configuration suggests a cooling configuration reaching a maximum temperature of 89 °C on a 2 W hot spot, using a flow at a pressure drop plus petit que 1 kPa. Prototypes with different stacking and microchannel distributions are fabricated using deep reactive ion etching process and stacked using pick-and-place technique. A characterization bench and a thermal test chip are fabricated for experimental characterization of the cooling prototypes from various configurations. A prototype with microchannel zones limited to the hot spot vicinity and installed on the backside of the test chip reached a thermal resistance of 2.8 °C/W. This performance is achieved using a flow rate of 9.4 ml/min with a pressure drop of 19.2 kPa, representing a hydraulic power of 3 mW. Such cooling removes 7.3 W generated on a single heat source, representing a heat flux of 1 185 W/cm² for a coefficient of performance of 2 430. The optimization results suggest that the heat spreading is better exploited using parallel microchannels, rather than lengthen microchannels. It is both observed experimentally and numerically that the thermal resistance related to the fluid temperature rise is the major contribution to the total thermal resistance. Finally, it appears that the different stacking effects on thermal resistance are more important than the microchannels distributions in the observed ranges.


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