Réalisation et optimisation de refroidisseurs à microcanaux en technologie silicium

Realisation and optimisation of microchannel heat sink in silicon technology

• Auteur / Autrice : Corinne Perret
• Direction : Christian Schaeffer, Jumana Boussey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Grenoble INPG
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrotechnique (Grenoble1980-2006)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Roye
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Louis Sanchez, Pierre Merle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dissipateurs thermiques (électronique)

Mots clés libres

Auto soudure de silicium

Composants de puissance

Iintégration

Conception

Refroidisseur à microcanaux

Gravure profonde de silicium

Auto soudure de silicium

Power components

Integration

Conception

Microchannel heat sink

Silicon deep etch

Wafer bonding

Résumé

Les convertisseurs d'électronique de puissance sont de plus en plus compacts. Les pertes générées dans les différents composants restent sensiblement constantes, voire croissantes, pour une puissance donnée, car l'augmentation des fréquences de travail est pénalisante à ce niveau. Les puissances volumiques à évacuer sont donc en augmentation et nécessitent la conception de refroidisseurs plus efficaces. Nous présentons dans cette thèse une démarche visant à réaliser des refroidisseurs à microcanaux en technologie silicium. Après avoir rappelé une méthode de calcul des pertes et les lois de la thermique et de l'hydraulique, nous présenterons les avantages attendus par notre approche ; puis nous décrirons les technologies utilisées pour la réalisation de prototypes. Les deux derniers chapitres sont consacrés aux simulations des dispositifs comparées aux résultats expérimentaux, ainsi qu'à une rechercher de conception optimale

With the scaling down trends and the increasing of frequency operation, the electronic power converters are subjected to an unsteadily increasing dissipated power. In order to avoid an excessive temperature increase at the chip's level, it becomes fundamental ta supply each electronic power device with an appropriate efficient cooling device. Hybrid micro-heat sinks elaborated in copper technology have been widely investigatedsince the last decade. Nevertheless, because of their multilayer structure, these devices are usually characterised by. An important thermal fatigue and brittle copper fines. An alternative solution is reported to be the use of silicon microtechnologies to fabricate the microchannels heat sink directly in the electronic chips material (i. E. Silicon substrate). This thesis was focusing on the design and realisation of micro heat sink in silicon -technology. The first chapter is an overview of the thermal and hydraulic principles which govern the forced convection heat exchange between water and silicon microchannel's walls. The second chapter deals with the major technological innovative steps which were used for the fabrication of the first prototYPes. A third chapter is dedicated to the numerical simulation tools and to' the experimentalcharacterisation bench. A comparison between experimental results and simulation predictions is thotougbly discussed in order to find out the validity limit of certain hypothesis. Finally, an optimisation procedure aiming to determine the optimal micro heat sink configuration is proposed