JeanPierre Joly

1
Les Enjeux de la Micro-thermique

• Jean-Pierre Joly
• Directeur de recherche CEA
• Matériaux et Procédés pour la microélectronique

2
Plan de lexposé

• Refroidissement efficace des micro-composants
• Comment concilier conductibilité thermique et
  faible permittivité dans les diélectriques?
• La méconnaissance des propriétés thermiques des
  matériaux en couche mince
• La détection des flux de chaleurs
  (micro-bolomètres)
• Les composants à actuation thermique
• Conclusion quels enjeux pour les thermiciens?

3
La problématique du refroidissement des Composants

• Puissances à dissiper très variables
• les plus critiques microprocesseurs (200 Wcm-2
  bientôt)
• convertisseurs de forte puissance (jusquà 400
  Wcm-2),
• puissance RF ou certaines diodes LASER (1000
  Wcm-2) mais avec des points chauds localisés

4
Tentative de solution les Microcaloducs intégrés
dans le Silicium
Source de chaleur
Source froide
Zone adiabatique
Avantages du principe du caloduc Transfert de
chaleur avec un faible gradient
thermique Fonctionnement passif
Réseau capillaire
vapeur
Avantages du silicium ? Miniaturisation /
intégration ? Poids ? technologie des
microsystèmes / collective fabrication ? Même
CET que le composant électronique
Collaboration CNES/LETI/CETHIL/LEG
5
Fabrication du micro-caloduc
Collaboration CNES/LETI/CETHIL/LEG
6
Performances thermiques
Diminution du gradient de température entre
sources chaudes et froides jusquà 60 W/cm2
Collaboration CNES/LETI/CETHIL/LEG
Source de chaleur
Source froide
Zone adiabatique
Caloduc silicium Épaisseur 1,5 mm - poids 3,5
g Conductivité thermique équivalente jusquà 2000
W/mK Plaque cuivre équivalente Épaisseur 7.2
mm - poids 76 g
7
Comment concilier conductibilité thermique et
faible permittivité dans les diélectriques?
8
La méconnaissance des propriétés thermiques des
matériaux en couche mince et des interfaces

• Méthodologie de mesure
• Validité des modèles physiques traditionnels pour
  les faibles dimensions
• Connaissance précise des structures de matériaux
  dans le volume et aux interfaces

9
Mesure de la conductivité thermique de couches
minces par la  Méthode  3w

• Lignes de Ti-Au ou Al
• Épaisseur 100 nm (Ti-Au), 420 nm (Al)
• Préparée par dépôt PVD, photolithographie et
  gravure

10
Principe de la méthode
Dissipation de chaleur par leffet Joule
P(2w)R.I(w)2PcteP0cos(2wt)
Excitation alternative I(w)I0cos(wt)
Variation de température DT(2w)DTcteDT0cos(2wt
j)
Variation de résistance R(2w)R01aR DT(2w)
Variation de tension v(t)R(2w).I(w)Vwcos(wtj)
V3wcos(3wtj)
V3w½R0.I0.aR.DT0
Détermination de la conductivité thermique du
matériau à partir de DTo et j
11
Exemple de mesures sur les matériaux dun
composant critique
12
La détection des flux de chaleurs
(micro-bolomètres)
Vue MEB
thermal insulation
interconnection
Matrice de microbolometère a-Si
reflector
readout circuit pad
CMOS substrate

• Labsorbeur Silicium amorphe résistif (a-Si)
• Intégration monolithique
• Membrane fine pour la rapidité et la sensibilité
• Isolation thermique par bras allongés
• Procédé collectif bas coût

Vue de détail
13
Micro-bolomètres performances
t th (ms) 10
Pas (µm) 35
Rth (MK/W) 30

• Amélioration de lisolation thermique
• Réduction de la largeur et de lépaisseur des
  bras
• Amélioration de lAbsorption
• Hauteur de cavité, facteur de remplissage
• Réduction du bruit

F/1 50 Hz 300 K
14
Les composants à actuation thermique la mémoire
PCRAM
Crystalline Chalcogenide
Crystalline Chalcogenide
Amorphous Chalcogenide Ge SbTe
Resistive Electrode
Resistive Electrode
State 0
State 1
15
Les composants à actuation thermique la mémoire
magnétique de type TAS

• Anisotropie couche de stockage renforcée gt
  meilleure stabilité aux petites tailles
• Protection contre perturbation magnétique gt
  Meilleure sélectivité et blindage contre
  leffacement

16
(No Transcript)
17
Les composants à actuation thermique le
microcommutateur électro-thermique
18
Conclusion quels enjeux pour les thermiciens?

• Proposer des concepts  intégrable  pour le
  micro-refroidissement ?
• Physique et nanostructuration pour casser la
  corrélation Permittivité/Conductibilité thermique
  ?
• Outils de mesure des propriétés thermiques
  adaptées à nos couches et nos dimensions
• Intégration de modèles diphasiques pour certaines
  problématiques
• Physique et modèles de lécoulement de chaleur
  pour les très faibles dimensions

19
Merci pour votre attention

• Remerciements Charlotte Gillot, Jacques Cluzel,
  Raymond Boch, Pierre-Louis Charvet, Lucile Arnaud