FR2924861A1 - Dispositif electronique comportant un film a base de nanotubes de carbonne pour assurer la gestion thermique et son procede de fabrication - Google Patents

Dispositif electronique comportant un film a base de nanotubes de carbonne pour assurer la gestion thermique et son procede de fabrication Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un dispositif électronique comportant un substrat supportant un ensemble de composants électroniques, un radiateur thermique permettant de dissiper la chaleur susceptible d'être dégagée par lesdits composants et une interface thermique assurant le contact entre lesdits composants et le radiateur, caractérisé en ce que l'interface comporte un film comprenant une première série de nanotubes de carbone. Selon une variante, le film comporte des nanotubes alignés.L'invention concerne également un procédé de fabrication permettant la réalisation de l'interface thermique à base de nanotubes.

Description

Dispositif électronique comportant un film à base de nanotubes de carbone pour assurer la gestion thermique et son procédé de fabrication L'invention se rapporte à un dispositif électronique comportant un ensemble de composants électroniques pouvant dégager de fortes puissance en cours de fonctionnement. Dans le cadre de ce type de dispositif, il est impératif de pouvoir gérer au mieux la dissipation de chaleur en cours de fonctionnement de manière à éviter toute dégradation des composants électroniques. Ce problème s'avère d'autant plus ardu que la puissance du dispositif est élevée. Ainsi de manière générale, l'objectif fondamental du problème de gestion thermique est de garder la température du substrat où les microdispositifs résident, à une température inférieure ou égale à une valeur définie Ti qui garantit un fonctionnement correct du dispositif. Cette valeur de température est strictement liée à la valeur d'un paramètre TDP représentant la puissance maximale, atteinte par les microdispositifs, associée à cette température, comme décrit dans la publication Cooling a microprocessor , R.Mahajan, C;Chiu, G.Chrysler, Proc.IEEE vol.94, n°8, 2006.
Ainsi dans la réalisation d'un microdispositif, il est possible de définir la résistance thermique maximale RTR permise comme suit : RTR = (Ti ù Ta)/TDP Avec Ta la température atteinte par la surface des composants. En partant de cette formule on sait qu'un microdispositif en fonctionnement peut atteindre une température maximum consentie de Ti. Cette température doit baisser afin de garantir la fiabilité du dispositif dans le cas d'un fonctionnement prolongé. En même temps la température Ta augmente avec le temps. Nous en déduisons que la valeur de la résistance thermique limite peut baisser. L'objectif essentiel des concepteurs de dispositif électronique est de garantir que la résistance thermique du microdispositif ne dépasse jamais cette valeur limite.
Afin de pouvoir atteindre cet objectif il faut : - minimiser l'effet des points chauds correspondant aux échauffements des composants en fonctionnement en améliorant la surface de diffusion de la chaleur émise ; - augmenter la capacité de dissipation des solutions envisagées ; 5 -augmenter l'enveloppe thermique du dispositif ; - développer des solutions avec un coût acceptable.
Actuellement, différentes solutions ont été proposées afin de répondre à ces nécessités et notamment les deux architectures illustrées 10 respectivement sur les figures 1 et 2. La référence D est relative à la diffusion de la chaleur depuis les composants électroniques vers l'extérieur. Ces deux architectures comprennent toutes les deux, à la surface d'un substrat, un ensemble de composants électroniques susceptibles de développer des points chauds en cours de fonctionnement. Un radiateur 15 permet d'évacuer cette chaleur. Typiquement, il peut s'agir d'un radiateur de très bonne conductivité thermique par exemple en cuivre. Plus précisément, ces architectures comprennent les empilements suivants : - un radiateur I ; 20 - un matériau d'interface thermique II ; un IHS III un second matériau d'interface thermique IV (dans le cas de la seconde architecture) ; - les composants électroniques à la surface d'un substrat V ; 25 - des plots de contact VI ; - un support de packaging VII. La première architecture permet de dissiper directement la chaleur via un radiateur alors que la seconde architecture utilise une couche intermédiaire de diffusion. 30 Dans la première structure, la chaleur est dissipée directement par un radiateur et dans la seconde structure, avant d'être dissipée, la chaleur est répartie par une couche intermédiaire de diffusion dénommée heat spreader .
Ainsi la première structure comporte un matériau d'interface thermique, dénommée TIM correspondant à l'acronyme de Thermal Interface Material alors que la seconde en comporte deux. Le problème principal de la première structure réside dans le fait que la température des points chauds est moins bien redistribuée et dans la seconde structure, l'ajout du Heat Spreader implique un packaging plus volumineux mais également une évacuation de la chaleur qui se fait en deux étapes comme décrit dans l'article Density factor approach to representing impact of die power maps on thermal management J.Torresola et Al., IEEE Transactions on advances packaging, vol.28, n°4, 2005. Cette dernière solution pourrait se révéler moins efficace et ce notamment en raison de différences entre les coefficients de dilatation thermique des surfaces intéressées. Une solution particulièrement intéressante pouvant être envisagée est une structure avec un TIM optimisant la répartition de la chaleur sans nécessité l'emploi d'un heat spreader . Pour cela la conduction du TIM doit être optimisée. Cela a notamment déjà été proposé avec l'emploi de matériaux incorporant des particules métalliques, permettant d'assurer une meilleure conductivité thermique: Néanmoins, dans le cas de l'utilisation des TIMs avec des particules métalliques, l'optimisation du parcours de dissipation n'est pas assurée compte tenu du fait qu'elle dépende de la distribution aléatoire dans le TIM des particules comme décrit dans l'article Thermal Interface Materials : historical perspective, Status, and Future Directions, R.Prasher , Proc.IEEE vol.94, n°8, 2006.
Une solution envisagée a été d'intégrer les nanotubes de carbone dans des TIMs. Avec ce type d'architecture, le TIM qui intégre des nanotubes de carbone, ne peut garantir un contact thermique suffisant entre les nanotubes (la matrice empêche d'optimiser le contact nanotube/nanotube et donc d'exploiter au maximum leur conductivité). Même si leur conductivité thermique (80W/mK) est environ deux à sept fois supérieure à celle des TIMs qui utilisent des particules métalliques, la conductivité reste environ un millième de la conductivité d'un seul nanotube (ù3000W/m.K).
II a également déjà été envisagé de faire croître à la surface d'un radiateur des nanotubes pour favoriser l'évacuation de la chaleur comme illustré en figure 3 qui montre une vue éclatée du radiateur I comportant des nanotubes de carbone intégré dans un matériau d'interface thermique III, en regard des composants électroniques sur un substrat VI. Cette architecture à première vue permet d'exploiter au maximum la conductivité d'un seul nanotube. Néanmoins le recouvrement de surface entre les nanotubes et les points chauds développés au niveau des composants électroniques n'est pas optimal. Ceci est principlament lié au fait que les nanotubes n'ont pas la même longueur et que donc le contact thermique avec le substrat n'est pas optimisé: Dans ce contexte et pour augmenter davantage les performances d'interface thermique, la présente invention propose un nouveau type de dispositif électronique comprenant une interface originale permettant d'améliorer sensiblement la dissipation thermique. Plus précisément l'invention a pour objet un dispositif électronique comportant un substrat supportant un ensemble de composants électroniques, un radiateur thermique permettant de dissiper la chaleur susceptible d'être dégagée par lesdits composants et une interface thermique assurant le contact entre lesdits composants et le radiateur, caractérisé en ce que l'interface comporte un film comprenant une première série de nanotubes de carbone. Selon une variante de l'invention, les nanotubes de la première série sont alignés au sein du film permettant d'assurer une conduction thermique accrue (pour exploiter la conductivité thermique d'un seul nanotube). Selon une variante de l'invention, l'interface comporte en outre : - une seconde série de nanotubes à la surface du radiateur, répartis dans un plan perpendiculaire au plan du substrat ; - une couche de matériau servant de matrice pour intégrer les nanotubes de la seconde série. Selon une variante de l'invention, l'épaisseur du film de nanotubes est de l'ordre de quelques microns.
Selon une variante de l'invention, le matériau servant de matrice est un matériau de type polymère. Selon une variante de l'invention, le polymère peut être chargé avec des particules métalliques.
L'invention a aussi poùr objet un procédé de fabrication d'un dispositif électronique selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte : -l'enduction du substrat comportant les composants électroniques par une solution de nanotubes de carbone dispersés dans un solvant ; -l'évaporation dudit solvant de manière à constituer un film de nanotubes de carbone répartis de manière aléatoire ; - le report d'un radiateur thermique à la surface dudit film. Selon une variante de l'invention, le procédé de fabrication comporte en outre les étapes suivantes : - une première dilution de nanotubes de carbone dans un solvant de manière à former une première solution ; le passage de la solution formée aux ultra-sons pour casser des aggrégats de nanotubes au sein de ladite première solution ; - la centrifugation de la première solution pour récupérer un filtrat comportant des nanotubes plus dissociés; - une seconde dilution des nanotubes filtrés de manière à former une seconde solution ; - l'enduction de ladite deuxième solution sur le substrat. 25 Selon une variante de l'invention, l'enduction est réalisée par jet de ladite seconde solution. Selon une variante de l'invention, le procédé comprend le dépôt d'une solution comportant des nanotubes de carbone réalisé sous un flux dirigé de gaz neutre de manière à obtenir des nanotubes de carbone alignés 30 dans la direction dudit flux. Typiquement, le gaz neutre peut être de l'azote. Selon une variante de l'invention, le procédé comprend : - la réalisation d'un substrat comportant un masque d'électrodes ; l'électrodépôt d'une solution comportant des nanotubes de carbone à partir du masque d'électrodes, de manière à obtenir des nanotubes de carbone alignés. Selon une variante de l'invention, le procédé comporte la croissance 5 de nanotubes de carbone à la surface du radiateur thermique. Selon une variante de l'invention, le procédé comporte l'assemblage du radiateur thermique, d'une couche intermédiaire de diffusion et du substrat supportant les composants électroniques .
10 L'invention sera mieux , comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 illustre un premier exemple de dispositif électronique comportant des composants et un radiateur permettant la dissipation thermique ; - la figure 2 illustre un second exemple de dispositif électronique comportant des composants et un radiateur permettant la dissipation thermique ; - la figure 3 illustre un troisième exemple de dispositif électronique comportant des composants et un radiateur muni de nanotubes ; - la figure 4 illustre un premier exemple de dispositif électronique selon l'invention ; - la figure 5 illustre un second exemple de dispositif électronique selon l'invention . De manière générale, la présente invention concerne un dispositif électronique permettant le management thermique de composants 30 électroniques à la surface d'un substrat, ces composants pouvant typiquement être de type microprocesseurs et ce en réduisant le nombre de surfaces intermédiaires tout en améliorant les propriétés mécaniques de l'ensemble du dispositif.
35 Le dispositif de l'invention comporte comme illustré en figure 4 un substrat S comprenant des composants électroniques Ci. A la surface de cet 15 20 25
7 ensemble ainsi constitué est déposé un film FCNT réalisé à partir d'une solution renfermant dans un solvant des nanotubes de carbone. Après évaporation du solvant un film sec de nanoparticules de carbone vient recouvrir l'ensemble de la surface des composants électroniques. Un radiateur thermique R est superposé audit film FCNT. De part leurs excellentes propriétés de conduction thermique, les nanotubes assurent au sein du film un très bon report de chaleur en direction du radiateur.
Selon une variante avantageuse de l'invention, le dispositif électronique peut comprendre de plus des nanotubes de carbone déposés à la surface du radiateur. Ainsi le dispositif comprend comme illustré en figure 5, un film FCNT1 comportant une première série de nanotubes répartis de manière aléatoire, ledit film étant dans un plan parallèle au plan du substrat et une seconde série de nanotubes répartis dans un plan perpendiculaire au plan du substrat. Avantageusement, les nanotubes de la seconde série sont intégrés au sein d'une couche intermédiaire CCNT2. Cette configuration peut être obtenue soit en faisant croître des nanotubes sur des surfaces, soit en déposant des nanotubes préalablement fabriqués par une méthode connue de l'homme de l'art. Elle permet par ailleurs d'optimiser l'évacuation de la chaleur par un chemin reliant la première série de nanotubes à la seconde série de nanotubes, la première série assurant une très bonne liaison thermique avec les composants électroniques en augmentant la surface d'échange, susceptibles de constituer des points chauds.
Un exemple de procédé de fabrication de dispositif selon l'invention est décrit ci-après : - d'une part on fait croître la seconde série de nanotubes sur le radiateur qui peut typiquement être en cuivre. De manière connue la croissance des nanotubes peut être effectuée à une température comprise entre environ 400°C et 800°C. - En parallèle on réalise un tapis de nanotubes à la surface des composants électroniques.
Plus précisément, on procède à l'enduction du substrat par une solution renfermant des nanotubes de carbone. Cette opération est réalisée à température ambiante, contrairement aux opérations de croissance de nanotubes effectuée à température élevée. Il s'agit donc d'une opération non agressive qui permet de plus une très bonne répartition des éléments assurant la conduction thermique à la surface de tous les composants électroniques. Typiquement pour réaliser la solution de nanotubes, on peut utiliser des solvants de type DiMéthyl-Méthyl-Formamide (DMF) ou DiChlore-Ethane 10 (DCE) ou N-Méthyl-2-pyrrolidone (NMP) ou DiChloro-Benzene (DCB) ou Eau+ Dodécylsulfate de sodium (SDS). La méthode utilisée pour obtenir une dispersion optimale peut être la suivante : l'ajout d'environ 1 mg de nanotubes de carbone dans 20 ml de solvant (ces valeurs sont purement indicatives et par conséquence les quantités sont modulées et optimisées pour obtenir la conductivité thermique souhaitée). - l'emploi d'un appareil qui envoie des ultra-sons appelé sonificateur par intermittence pour sonifier ladite solution. En effet les ultra-sons aident à désolidariser les cordes de nanotubes qui ont tendance à se former en raison de forces de Van Der Walls. - la centrifugation de la solution au sein d'un récipient de manière à retenir en fond de récipient toutes les cordes non-désolidarisées lors de la sonification, et les autres formes d'impuretés, par exemple des résidus des catalyseurs métalliques.
La solution ainsi obtenue peut alors être déposée de manière 30 classique à la surface du substrat comportant les composants électroniques. Typiquement on peut procéder à l'enduction d'une solution par pulvérisation avec un spray de solution ou avec des microgouttes ou avec une machine à jet d'encre. Après évaporation du solvant, on obtient un tapis de nanotubes 35 répartis de manière aléatoire. 15 20 25 Afin d'améliorer les propriétés de conductivité thermique du tapis de nanotubes de carbone formés à la surface des composants électroniques, on peut également employer des techniques permettant de faire de l'enduction dirigée.
Pour cela on peut avoir recours à des techniques telles l'électrophorèse, l'utilisation d'un champ magnétique, le dépôt puis séchage sous flux de gaz dirigé,... Après réalisation du tapis de nanotubes qu'ils soient orientés ou non, on vient solidariser ce dernier avec une couche matrice intermédiaire et le 10 radiateur thermique à la surface duquel on a préalablement effectuer la croissance des nanotubes de carbone. Ainsi la première série de nanotubes peut être mise en contact avec la seconde série de nanotubes et ce à température ambiante. II n'est pas nécessaire d'utiliser une couche matrice chargée de 15 particules métalliques comme nécessaire selon l'art connu, mais cette alternative reste néanmoins possible dans le contexte de la présente invention. La couche matrice assure dans la présente invention une fonction mécanique entre le radiateur et le film de nanotubes. Ainsi, la première série 20 de nanotubes relie directement le radiateur au substrat en optimisant leur conductivité thermique. Le dépôt des nanotubes permet une augmentation de la surface d'échange thermique et également une redistribution, une meilleure répartition de la température du substrat (redistribution de la température des 25 points chauds). Dans ce cadre il se comporte comme un heat spreader .

Claims (15)

REVENDICATIONS
1. Dispositif électronique comportant un substrat supportant un ensemble de composants électroniques, un radiateur thermique permettant de dissiper la chaleur susceptible d'être dégagée par lesdits composants et une interface thermique assurant le contact entre lesdits composants et le radiateur, caractérisé en ce que l'interface comporte un film comprenant une première série de nanotubes de carbone.
2. Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les nanotubes de la première série sont alignés au sein du film.
3. Dispositif électronique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'interface comporte en outre : - une seconde série de nanotubes à la surface du radiateur, répartis dans un plan perpendiculaire au plan du substrat ; - une couche de matériau servant de matrice pour intégrer les nanotubes de la seconde série.
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'épaisseur du film de nanotubes est de l'ordre de quelques microns.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau servant de matrice est un matériau de type polymère.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le 25 polymère est chargé avec des particules métalliques.
7. Procédé de fabrication d'un dispositif électronique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte : - l'enduction du substrat comportant les composants électroniques 30 par une solution de nanotubes de carbone dispersés dans un solvant ; - l'évaporation dudit solvant de manière à constituer un film de nanotubes de carbone répartis de manière aléatoire ;20- le report d'un radiateur thermique à la surface dudit film.
8. Procédé de fabrication selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte la croissance de nanotubes de carbone à la surface du 5 radiateur thermique.
9. Procédé de fabrication selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comporte l'assemblage du radiateur thermique, d'une couche intermédiaire et du substrat supportant les composants électroniques 10 recouvert par ledit film de nanotubes de carbone.
10. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes suivantes : - une première dilution de nanotubes de carbone dans un solvant de manière à former une première solution; - le passage de la solution formée aux ultra-sons pour casser des aggrégats de nanotubes au sein de ladite première solution ; - la centrifugation de la première solution pour récupérer un filtrat comportant des nanotubes dispersés ; - une seconde dilution des nanotubes filtrés de manière à former une seconde solution; -l'enduction de ladite deuxième solution sur le substrat. 25
11. Procédé de fabrication selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'enduction est réalisée par le dépôt de la deuxième solution effectué par centrifugation.
12. Procédé de fabrication selon la, revendication 10, caractérisé en 30 ce que l'enduction est réalisée par jet de ladite seconde solution.
13. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend le dépôt d'une solution comportant des nanotubes de carbone réalisé sous un flux dirigé de gaz neutre de manière à 35 obtenir des nanotubes de carbone alignés dans la direction dudit flux. 15 20
14. Procédé de fabrication selon la revendication 13, caractérisé en de que le gaz neutre est de l'azote.
15. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend : - la réalisation d'un substrat comportant un masque d'électrodes ; l'électrodépôt d'une solution comportant des nanotubes de carbone à partir du masque d'électrodes, de manière à obtenir des nanotubes de carbone alignés.
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