Développement d'une solution de répartition de la chaleur émise par les points chauds en co-intégration avec les technologies CMOS

par Rafael Prieto herrera

Thèse de doctorat en Genie electrique

Sous la direction de Yvan Avenas.

Le président du jury était Christian Schaeffer.

Le jury était composé de Perceval Coudrain.

Les rapporteurs étaient Abdelkader Souifi, Luc Fréchette.


  • Résumé

    On assiste aujourd’hui au développement massif des technologies nomades. L’utilisation de boîtiers compacts est ainsi en plein croissance, non seulement à cause des téléphones portables et tablettes, mais aussi à cause de l’introduction massive de l’électronique dans les appareils portables de la vie quotidienne. La microélectronique embarquée dans ces appareils représente le principal outil d’information et de communication des personnes avec le monde extérieur. Le rythme de développement de ces technologies dans les dernières années est tel que les possibilités d’utilisation des appareils portables d’aujourd’hui étaient de la science-fiction il y a seulement 10 ans.Les fonctionnalités qui verront le jour dans les années à venir ne peuvent donc pas toutes être encore imaginées. Ces fonctionnalités vont toutefois très certainement impliquer une augmentation des performances de calcul des dispositifs, et par conséquent de la chaleur qu’ils dissipent.Aujourd’hui, on envisage des puces complexes comprenant plusieurs niveaux logiques et basées sur technologies hétérogènes. On demande également que ces technologies soient intégrées dans les appareils utilisés dans la vie quotidienne, qu’ils soient connectés entre eux et qu’ils réagissent de façon intelligente. Les stratégies de dissipation de la chaleur doivent donc être en adéquation avec la réduction des dimensions des dispositifs de la microélectronique.L’objectif de la thèse présentée dans ce manuscrit est ainsi d’étudier les stratégies de dissipation thermique des boîtiers compacts avec l’aide de répartiteurs de chaleur intégrés. Ce travail porte sur la caractérisation des performances et contraintes des répartiteurs thermiques avec matériaux carbonés. Les répartiteurs sont capables de dissiper sur sa surface la chaleur produite dans un point chaud.Afin d’étudier le phénomène de la dissipation avec un répartiteur, on a mis en place une méthodologie qui prend en compte le caractère multiniveau de la dissipation thermique. L’objectif est de pouvoir se concentrer sur l’interaction entre le répartiteur thermique et chacun des éléments de l’ensemble. On a réutilisé deux véhicules de test et on a désigné un véhicule de test spécifique pour l’étude de la thermique des puces imageurs.Les travaux sont basés sur deux axes : Les études d’intégration et les études thermiques. Les études d’intégration prennent en compte les contraintes dérivées de l’implémentation des couches répartiteurs dans des boitiers compactes. On se concentre d’abord sur les procès d’implémentation des couches répartiteurs au sein de l’ensemble dans un procès industriel. Ensuite on étudie les effets thermomécaniques et les effets sur l’intégrité des signaux à haute fréquence.Les études thermiques caractérisent le gain en performances dérivé de cette intégration. On analyse ces phénomènes thermiques avec des mesures et des simulations. Premièrement au niveau silicium et répartiteur, deuxièmement au niveau boitier et finalement on se concentre sur les effets dans une puce et boitier imageur.A la lumière des résultats on peut dire que les matériaux carbonés se présentent comme l’alternative plus intéressante pour l’implémentation à grande échelle de répartiteurs dans des boitiers compacts. Cette implémentation sera poussée par la recherche des prestations dans des boitiers de plus en plus complexes et hétérogènes, ou l’empreinte du répartiteur doit être minimale. La combination des couches de carbone a tous les niveaux du boitier, avec des TIMs des épaisseurs réduites sera la tendance dans les années à venir pour ce type de dispositifs.Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration tripartie entre le CEA-LETI de Grenoble, le laboratoire G2Elab de l’INP Grenoble et STMicroelectronics à Crolles.

  • Titre traduit

    Development of a heat spreading solution for hot spots in cointegration with CMOS technologies


  • Résumé

    We witness today an explosion of nomadic technologies. Portable devices have become the main tool that people use to connect with the rest of the world. The microelectronics embedded in these devices is the technology that drives this process. The pace of development of these technologies is such that the versatility of portable devices today were science fiction only 10 years ago.The functionalities that will be integrated in the coming years cannot be imagined yet. These features will imply an increase of the computing demands, and consequently, of the heat dissipated inside them. The trend leads to complex stacks with heterogeneous modules of heat dissipating layers.These technologies will be integrated in everyday life. Internet of Things, as we call it, will demand an increasing amount of independent low footprint devices that will be connected. Heat dissipation strategies must therefore be compatible with increasingly smaller dimensions. Compact packages demand is growing rapidly, not only because of telephones and tablets, but also because of the massive introduction of electronics into in everyday life devices.The objective of the thesis is to study the integration of heat-spreaders in compact packages to enhance its thermal performance. This work goes deeply in the characterization of the thermal performance of carbon-base heat spreaders. Heat-spreaders are able to extract the heat produced in hot spots and transport it along its surface.In order to study the heat spreading phenomenon, a methodology that takes into account the multi-level nature of heat dissipation has been implemented. The objective is to be able to focus on the interaction between the heat-spreader and each one of the elements of the package stack. Two test vehicles have been re-used from previous works. A specific test vehicle was also design in order to emulate the thermal behavior of imaging sensors.The thesis is based on two main axes: Integration studies and thermal studies. The integration studies take into account the constraints derived from the implementation of heat spreaders in compact packages. Firstly, we focus on the implementation processes within an industrial process. Latelly, we study the thermomechanical effects of heat spreaders and the impact on the integrity of high frequency signals.Thermal studies are aimed to characterize the performance gain derived from this heat spreader integration. The thermal phenomena are analyzed with measurements and simulations. First at silicon and interface level, then at package level, finally we focus on the effects in image sensor die and package.In the light of the results it can be said that carbon based materials are the most interesting alternative for large-scale implementation of heat spreaders in compact packages. This implementation will be driven by the research of new functionalities and performances in compact packages. The heat spreader will have to perform while maintaining a minimal footprint. The combination of carbon layers at all package levels, along with reduced thermal interface thickness will be the trend in the coming years for this type of device.This thesis is part of a tripartite collaboration between the CEA-LETI of Grenoble, the G2Elab laboratory of the INP Grenoble and STMicroelectronics in Crolles.


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