Intégration de caloducs dans un support silicium

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1 Intégration de caloducs dans un support silicium Post-doc CNES / LETI Laboratoire d Assemblage et de micro Connectique G. Poupon LETI Y. Avenas, C. Schaeffer LEG E. Fournier CNES

2 Plan Introduction Synthèse bibliographique Définition de la structure d étude Réalisation Conclusion et perspectives

3 Introduction Refroidissement de composants électroniques (satellites de télécommunication) Densités de puissance élevées : répartition de la chaleur sur une plus grande surface source chaude source froide Objectifs : réalisation en silicium miniaturisation intégration composant dissipatif / système de refroidissement

4 Synthèse bibliographique : structure silicium Microcaloducs [Peterson, Mallick, CETHIL] Sections triangulaires ; largeur : quelques dizaines ou centaines de µm Conductivité thermique : x 1,5 à 2,4 par rapport à une plaque de silicium Dissipation : 4 à 5 W/cm 2 (au niveau de la source) évaporateur adiabatique condenseur

5 Synthèse bibliographique : structure silicium Caloducs plats répartiteurs de chaleur Shen Conductivité thermique : x 5 par rapport à un dispositif sans fluide Benson Quelques dizaines de W/cm 2 (au niveau de la source)

6 Synthèse bibliographique : caloducs plats à rainures Caloducs cuivre / eau [Cao, Gao, Hopkins] ou céramique / eau évaporateur condenseur Largeur rainures µm Plusieurs dizaines de W/cm 2 Utilisation possible en répartiteur de chaleur (thèse LEG Y. Avenas) plaque froide composant rainures Prototype laiton / eau Puissance dissipable supérieure à 110 W en position horizontale ou verticale

7 Définition de la structure d étude Réalisation de caloducs en silicium : Caloduc plat à rainures Répartiteur de chaleur Dimensions fixées par des contraintes technologiques 80 µm 80 µm 300 µm Trois plaques de silicium Plaque A : rainures + trou remplissage Plaque B : cavités Plaque C : rainures

8 Définition de la structure d étude Implantation générale Plaques standard 100 mm, épaisseur 500 µm Pour chaque ensemble de trois plaques : Trois dispositifs Deux motifs pour vérification dimensions Variante : surface de scellement des plaques 100 mm

9 Cheminement technologique : Réalisation technologique 1. Réalisation des plaques de type A, B et C Plaque A Plaque B Plaque C Réalisation des rainures Réalisation des cavités Réalisation des rainures Réalisation des trous 2. Scellement des plaques 3. Lien avec le dispositif de remplissage

10 Réalisation technologique Rainures : gravure profonde anisotrope du silicium par plasma flancs verticaux Largeur rainure : 90 µm Largeur ailette : 70 µm Longueur : 50 mm Profondeur 300 µm

11 Réalisation technologique Réalisation des trous plaque A : perçage laser Principe : Dépôt d une couche protectrice Attaque laser Libération par voie chimique (KOH) Retrait de la couche protectrice diamètre du trou 950 µm

12 Cavité : perçage laser Réalisation technologique Si Vue générale MEB Si Rainures vue de dessus Fond des rainures MEB Largeur rainure : 90 µm Largeur ailette : 70 µm Longueur : 500 µm

13 Réalisation technologique Scellement des plaques : scellement direct Si / Si - nettoyage chimique - alignement - mise en contact - recuit 1100 C - contrôle qualité scellement (IR) et alignement (RX)

14 Réalisation technologique Lien Silicium / système de remplissage - métallisation - préforme alliage fusible - tuyau en cuivre avec rondelle Refonte sous vide rayonnement IR tuyau cuivre préforme Sn / Pb / Ag métallisation

15 Tests des dispositifs Remplissage, queusotage, tests thermiques au LEG Caméra infra-rouge pour acquisition de température Elément chauffant : composant de puissance Limites de fonctionnement du dispositif, répartition de la température Estimation des performances (modélisation LEG) Ecart de température 12 C Limites de fonctionnement Puissance limite (W) limite capillaire limite d'ébullition Température ( C)

16 Conclusion Développement des briques de base caloduc plat à rainures en silicium faisabilité Suite prévue : collaboration CNES / LETI / LEG / CETHIL Remplissage et tests des dispositifs (LEG) points faibles de la structure (étanchéité, fragilité, ) performances thermo-hydrauliques Modélisation et comparaison avec les résultats de tests (CETHIL) optimisation de la structure suivant un cahier des charges Utilisation des technologies développées pour d autres géométries répartiteur de chaleur 2D