FR3014596A1 - Film thermiquement conducteur permettant d'evacuer la chaleur preferentiellement dans une ou plusieurs directions de son plan - Google Patents

Abstract

Ce film comporte un empilement (6), dans la direction perpendiculaire à son plan, de plusieurs monocouches (10, 12) de nanoparticules, chaque nanoparticule présentant un axe longitudinal contenu dans le plan de la monocouche le long duquel elle s'étend et une conductivité thermique dans la direction parallèle à son axe longitudinal supérieure à 100 W/K/m à 20°C, les axes longitudinaux d'au moins 50 % des nanoparticules d'une même monocouche étant parallèles à une même direction d'alignement à plus ou moins 5° près de manière à ce que la monocouche conduise préférentiellement la chaleur dans cette direction d'alignement, et les directions d'alignements des différentes monocouches empilées sont parallèles à une ou des directions prédéterminées.

Description

FILM THERMIQUEMENT CONDUCTEUR PERMETTANT D'EVACUER LA CHALEUR PREFERENTIELLEMENT DANS UNE OU PLUSIEURS DIRECTIONS DE SON PLAN [001] L'invention concerne un film thermiquement conducteur permettant d'évacuer la chaleur préférentiellement dans une ou plusieurs directions prédéterminées parallèles au plan dans lequel il s'étend. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication de ce film. [2] Des films sont utilisés pour évacuer la chaleur produite par des composants 10 électroniques. Ces films ont une épaisseur supérieure à 0,5 pm et de préférence supérieure à plusieurs micromètres. Jusqu'à présent ces films ne présentent pas de direction latérale, appartenant au plan du film, le long de laquelle la chaleur va s'évacuer préférentiellement. En effet, dans les films connus la chaleur s'évacue uniformément dans chaque direction latérale. Avec ces films, il n'est donc pas 15 possible de diriger la chaleur préférentiellement dans une direction latérale prédéterminée. Un tel film connu est par exemple divulgué dans la demande US2011045300. [3] L'invention vise donc à proposer un film permettant d'évacuer la chaleur préférentiellement dans une ou plusieurs directions prédéterminées latérales. Elle a 20 donc pour objet un film thermiquement conducteur, dans lequel le film comporte un empilement, dans la direction perpendiculaire à son plan, de plusieurs monocouches de nanoparticules, chaque nanoparticule présentant un axe longitudinal contenu dans le plan de la monocouche le long duquel elle s'étend et une conductivité thermique dans la direction parallèle à son axe longitudinal supérieure à 100 W/K/m à 25 20°C, les axes longitudinaux d'au moins 50 % des nanoparticules d'une même monocouche étant parallèles à une même direction d'alignement à plus ou moins 5° près de manière à ce que la monocouche conduise préférentiellement la chaleur dans cette direction d'alignement, et les directions d'alignements des différentes monocouches empilées sont parallèles à la ou aux directions prédéterminées. 30 [004] Dans le film ci-dessus, la présence de monocouches de nanoparticules thermiquement conductrices dans lesquelles les nanoparticules sont parallèles une direction d'alignement permet d'augmenter sensiblement la conductivité thermique du film dans cette direction d'alignement par rapport aux autres directions latérales. Ainsi, en alignant ces directions d'alignement sur les directions prédéterminées, on 35 obtient un film capable d'évacuer préférentiellement la chaleur dans ces directions prédéterminées. De plus, l'alignement des nanoparticules au sein de chaque monocouche permet d'améliorer la conductivité thermique de chaque monocouche par rapport au cas où les nonoparticules ne présenteraient pas cette organisation. Cela permet donc aussi d'améliorer la conductivité thermique du film dans les 40 directions prédéterminées. [005] Les modes de réalisation de ce film peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : ^ le film présente un épaisseur supérieure à 1 pm ; ^ chaque nanoparticule a un facteur de forme supérieure à deux, le facteur de forme d'une nanoparticule étant défini comme le rapport de la longueur sur la largeur du rectangle de plus petite surface, contenu dans le plan de la monocouche, contenant cette nanoparticule, et au moins 50 % des nanoparticules de la monocouche ont leur axe longitudinal respectif parallèle à la direction d'alignement à plus ou moins 0 près, où l'angle 0, exprimé en radian, est défini par la relation suivante : 0 = 2*max(arctan(l/d) ; 7/36), où : - I est la longueur moyenne des nanoparticules le long de leur axe longitudinal, - d est la distance moyenne entre les nanoparticules dans une direction parallèle au plan de la monocouche et perpendiculaire à la direction d'alignement ; ^ les directions d'alignement de plus de 90 % des monocouches sont toutes parallèles, à plus ou moins 5° près, à la même direction prédéterminée ; ^ les directions d'alignement d'une première partie des monocouches sont toutes parallèles, à plus ou moins 5° près, à une même première direction prédéterminée, et les directions d'alignement d'une seconde partie des monocouches sont toutes parallèles, à plus ou moins 5° près, à une même seconde direction prédéterminée, les première et seconde directions prédéterminées étant décalées angulairement l'une par rapport à l'autre de plus de 5° ; ^ le film comporte au moins une couche métallique ou en polymère, cette couche métallique ou en polymère étant interposée entre deux monocouches de l'empilement et/ou en-dessous et/ou au-dessus de l'empilement ; ^ les monocouches sont directement empilées les unes sur les autres ; ^ les nanoparticules sont des nanotubes de carbone ou des nanofils ou des nano-éléments orientés, les nano-éléments orientés étant des motifs présentant un facteur de forme supérieur à deux et une largeur comprise entre 5 à 200 nm, ces nano-éléments orientés étant répétés sur toute la surface de la monocouche ; ^ chaque monocouche comporte des nanoparticules noyées dans une matrice ; ^ la conductivité thermique de la matrice dans la direction d'alignement des nanoparticules est au moins deux fois plus petite que la conductivité thermique des nanoparticules dans cette même direction d'alignement. [006] Ces modes de réalisation du film présentent en outre les avantages suivants : - l'épaisseur d'au moins 1 pm permet d'utiliser le film pour évacuer une quantité substantielle de chaleur ; - utiliser des nanoparticules ayant un facteur de forme supérieur à deux et dont les axes longitudinaux sont parallèles à la direction d'alignement permet d'améliorer 5 la conductivité thermique dans la ou les directions prédéterminées ; - utiliser un empilement de monocouches dans lequel les nanoparticules sont toutes parallèles à une même direction prédéterminée, permet d'obtenir un film dont la conductivité thermique est essentiellement unidirectionnelle, c'est-à-dire dont la conductivité thermique est généralement deux ou dix fois supérieure dans la direction 10 prédéterminée par rapport à la conductivité thermique de ce film dans d'autres directions perpendiculaires à celle-ci ; - utiliser un empilement de monocouches dans lesquels les nanoparticules sont alignées le long de différentes directions, permet d'obtenir un film dont la conductivité thermique latérale est très élevée dans ses différentes directions ; 15 - le fait d'empiler les monocouches directement les unes sur les autres permet de diminuer l'épaisseur du film ; - la présence d'au moins une couche métallique ou en polymère à l'intérieur de l'empilement de monocouches ou aux extrémités de cet empilement permet d'améliorer la rigidité du film pour obtenir, si nécessaire, un film qui peut être 20 transporté indépendamment de tout support amovible ou d'améliorer la conductivité thermique de l'empilement notamment dans une direction perpendiculaire au plan du film; - utiliser en tant que nanoparticules des nanotubes de carbone permet d'obtenir une conductivité thermique dans la ou les directions prédéterminées 25 plusieurs centaines de fois supérieure à la conductivité thermique du film dans la direction perpendiculaire à son plan. [007] L'invention a également pour objet un ensemble comportant une puce électronique à refroidir et le film ci-dessus thermiquement conducteur en contact mécanique avec la puce électronique. 30 [008] L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un tel film thermiquement conducteur permettant d'évacuer la chaleur préférentiellement dans une ou plusieurs directions prédéterminées parallèles au plan dans lequel il s'étend, dans lequel ce procédé comporte la réalisation d'un empilement, dans la direction perpendiculaire au plan du film, de plusieurs monocouches de nanoparticules, 35 chaque nanoparticule présentant un axe longitudinal contenu dans le plan de la monocouche le long duquel elle s'étend et une conductivité thermique dans la direction parallèle à son axe longitudinal supérieure à 100 W/K/m à 20°C, les axes longitudinaux d'au moins 50 % des nanoparticules d'une même monocouche étant parallèles à une même direction d'alignement à plus ou moins 5° près de manière à 40 ce que la monocouche conduise préférentiellement la chaleur dans cette direction d'alignement, et les directions d'alignements des différentes monocouches empilées sont parallèles à la ou aux directions prédéterminées. [009] Les modes de réalisation de ce procédé de fabrication peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : ^ a) la monocouche de nanoparticules est d'abord réalisée sur une face d'un support de croissance, puis b) une couche de transport est déposée sur la monocouche de nanoparticules, puis c) la couche de transport et la monocouche de nanoparticules sont alors séparées du support de croissance au niveau de l'interface entre la monocouche de nanoparticules et le support de croissance, puis d) la couche de transport et la monocouche de nanoparticules séparées sont transportées puis disposé sur une face extérieure d'un substrat récepteur, puis les étapes précédentes sont réitérées pour réaliser un empilement de plusieurs monocouches de nanoparticules sur la face extérieure du substrat récepteur ; ^ après l'étape d), la couche de transport est dissoute pour laisser seulement la monocouche de nanoparticules sur la face extérieure du support récepteur ; ^ avant chaque réitération des étapes a) à d), une couche de métal ou de polymère est déposée sur la monocouche disposée sur la face extérieure du substrat lors de l'itération précédente des étapes a) à d). [001 0] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels : - la figure 1 est une illustration schématique, en coupe verticale, d'un premier mode de réalisation d'un film thermiquement conducteur permettant d'évacuer la 25 chaleur préférentiellement dans une ou plusieurs directions prédéterminées ; - la figure 2 est une illustration schématique, en vue de dessus, d'une monocouche utilisée pour réaliser le film de la figure 1 ; - la figure 3 est une illustration schématique de nanoparticules utilisées pour former la monocouche de la figure 2 ; 30 - la figure 4 est un organigramme d'un procédé de fabrication du film de la figure 1 ; - les figures 5 à 10 sont des illustrations schématiques, en coupe verticale, de différentes étapes de fabrication du procédé de la figure 4 ; - la figure 11 est un autre procédé de fabrication d'un film ayant des propriétés 35 thermiques similaires à celles du film de la figure 1; - les figures 12 à 14 sont des illustrations schématiques, en coupe verticale, de différentes étapes du procédé de la figure 11 ; - la figure 15 est une illustration schématique d'un autre mode de réalisation du film de la figure 1 ; - les figures 16 à 18 sont des illustrations schématiques, en coupe verticale, de différents exemples d'utilisation d'un des films décrits dans les précédentes figures. [0011] La figure 1 représente un film 2 s'étendant essentiellement dans un plan horizontal parallèle à des directions orthogonales X et Y. Dans les figures qui suivent, l'horizontal est représenté par les directions X et Y, tandis que la direction verticale est représentée par une direction Z perpendiculaire aux directions X et Y. De plus, par la suite, les termes tels que « supérieur », « inférieur », « au-dessus », « au-dessous » sont définis par rapport à la direction verticale. [0012] Le film 2 présente des dimensions latérales, c'est-à-dire des dimensions dans les directions X et Y, au moins 10 ou 100 ou 1 000 fois supérieures à son épaisseur dans la direction Z. Par exemple, les dimensions latérales sont de plusieurs millimètres ou centimètres. L'épaisseur du film 2 est généralement supérieure à 1 pm ou 5 pm et, typiquement, inférieure à 200 pm ou 400 pm. L'épaisseur du film 2 ne doit pas être trop petite sinon la quantité de chaleur qu'il peut évacuer devient négligeable. Ainsi, de préférence, son épaisseur sera supérieure à 10 pm ou 50 pm. [0013] Dans la suite de cette description, le film 2 est toujours représenté comme s'étendant dans un plan horizontal. Toutefois, selon les propriétés mécaniques du film, celui-ci peut aussi se présenter sous la forme d'un rouleau, notamment lors de son stockage. La position plane du film qui est écrite ici est alors obtenue après avoir déroulé ce rouleau. [0014] Dans le mode de réalisation de la figure 1, le film 2 est déposé sur la face supérieure horizontale d'une puce 4 à refroidir. Seule une partie de la puce 4 a été représentée sur la figure 1. La puce 4 est une puce électronique, c'est-à-dire une puce comportant un grand nombre de transistors réalisés par des procédés microélectroniques de fabrication collective. Lors de leur commutation, ces transistors dégagent de la chaleur qui doit être évacuée par le film 2. Ici, la face supérieure de la puce 4 est réalisée en oxyde de silicium. [0015] Dans cet exemple, le film 2 est conçu pour évacuer préférentiellement la chaleur de la puce 4 le long de deux directions prédéterminées parallèles, respectivement, aux directions X et Y. De plus, ici, le film 4 est conçu pour que sa conductivité thermique dans les directions X et Y soit au moins deux fois, et de préférence 10 ou 100 fois, supérieure à sa conductivité thermique verticale, c'est-à-dire sa conductivité thermique dans la direction Z. Par la suite, à moins qu'il en soit spécifié autrement, le terme « conductivité » est utilisé pour désigner la conductivité thermique à 20°C. [0016] A cet effet, le film 2 comprend un empilement 6, dans la direction Z, d'une succession de monocouches de nanoparticules. Seule une partie de l'empilement 6 est représentée sur la figure 1. [0017] Une monocouche de nanoparticules est une couche dans laquelle les nanoparticules sont essentiellement disposées les unes à côté des autres parallèlement au plan du film. Le plan dans lequel la majorité des nanoparticules sont disposées est appelé « plan de la monocouche ». Le plan de chaque monocouche est parallèle au plan du film. L'épaisseur de la monocouche est sensiblement égale à la dimension verticale des nanoparticules. Généralement, l'épaisseur d'une monocouche est supérieure à 0,5 nm ou 1,5 nm et inférieure à 100 nm ou 250 nm. Dans une monocouche, 90 % ou 99 % des nanoparticules s'étendent dans le plan de cette monocouche. [0018] On définit ici une nanoparticule comme étant un élément, dont les plus petites dimensions, typiquement le long de son axe transversal perpendiculaire à son axe 10 longitudinal, sont inférieures à 250 nm ou 100 nm ou 10 nm. Une telle nanoparticule est généralement formée de plusieurs centaines ou milliers d'atomes chimiquement liés les uns aux autres. [0019] L'axe longitudinal d'une nanoparticule i est l'axe qui suit une direction v, et qui passe par le barycentre de tous les points équipondérés de la nanoparticule. La 15 direction v, est la moyenne des directions entre chaque deux points distincts de la nanoparticule i. Les points distincts de la nanoparticule i pris en compte sont ceux qui appartiennent au plan horizontal passant par le barycentre de la nanoparticule. Dans le cas typique où la nanoparticule s'étend de façon rectiligne dans le plan de la monocouche, l'axe longitudinal est donc parallèle à la longueur de la particule. 20 [0020] De préférence, le nombre de monocouches formant l'empilement 6 est strictement supérieur à un et, avantageusement, supérieur à 5, 10 ou 50 ou 100. Pour simplifier la figure 1, seule une partie de ces monocouches a été représentée. Typiquement, l'empilement 6 fait plus de 500 nm ou 1 pm ou 5 pm d'épaisseur dans la direction Z. 25 [0021] Chaque monocouche présente une direction d'alignement horizontale le long de laquelle la majorité de ses nanoparticules sont alignées. Dans ce mode de réalisation, l'empilement comprend, en alternance, une monocouche 10 de nanoparticules dont la direction d'alignement est parallèle à la direction X, et une monocouche 12 de nanoparticules dont la direction d'alignement est parallèle à la 30 direction Y. Les monocouches de nanoparticules, dont la direction est parallèle à la direction X, sont structurellement identiques les unes aux autres et portent chacune la référence 10. Les monocouches de nanoparticules, dont la direction d'alignement est parallèle à la direction Y, sont également structurellement identiques à la monocouche 10, sauf que leur direction d'alignement est tournée horizontalement de 35 90°. Sur la figure 1, ces monocouches portent toutes la même référence 12. [0022] Une monocouche 10 est décrite plus en détail en référence aux figures 2 et 3. [0023] Ici, les monocouches 10 et 12 sont directement déposées les unes sur les autres, c'est-à-dire que les nanoparticules de la monocouche 10 sont directement en contact avec les nanoparticules de la monocouche 12 située immédiatement au-40 dessus et/ou au dessous. [0024] Le film 2 comprend également une couche métallique 8 qui recouvre l'empilement 6. La couche 8 est réalisée dans un matériau bon conducteur thermique tel que du cuivre ou de l'aluminium. L'épaisseur de cette couche 8 est par exemple comprise entre 10 nm et 10 pm. [0025] La figure 2 représente plus en détail une portion d'une monocouche 10. La monocouche 10 comprend des nanoparticules 20 parallèles à la direction X. Les nanoparticules 20 sont séparées les unes des autres par des intervalles dépourvus de nanoparticules et remplient d'un matériau. Ce matériau qui remplit les intervalles entre les nanoparticules d'une monocouche est appelé « matrice » et porte la référence 22 dans la figure 2. Ici, la conductivité de la matrice 22 est par exemple 2 fois ou 10 fois ou 100 fois inférieure à la conductivité des nanoparticules 20 dans la direction X. Par exemple, la conductivité de la matrice 22 est la même quelle que soit la direction considérée. Ici, la matrice 22 est réalisée dans le même métal que la couche 8. En effet, lors de la réalisation de la couche 8, des atomes du métal diffusent à l'intérieur de l'empilement 6 et remplissent les intervalles entre les nanoparticules 20 pour coller sans aucun degré de liberté ces nanoparticules les unes aux autres. Les nanoparticules 20 sont réalisées dans des matériaux thermiquement conducteurs. Ici, par matériau thermiquement conducteur, on désigne un matériau dont la conductivité à 20 °C est supérieure à 100 W/m/K et, de préférence, supérieure à 200 W/m/K ou 500 W/m/K ou 1 000 W/m/K ou 2 500 W/m/K. Avantageusement les nanoparticules présentent un facteur de forme supérieur à 2 et, de préférence, supérieur à 4, 10, 50 ou 100. Dans cette description, le facteur de forme d'une nanoparticule est défini comme étant le rapport de la longueur sur la largeur du rectangle horizontal de plus petite surface contenant cette nanoparticule. [0026] Ici, chaque nanoparticule s'étend essentiellement le long de son axe longitudinal. Les nanoparticules 20 sont donc ici rectilignes. Par la suite, la longueur moyenne des nanoparticules 20 le long de leur axe longitudinal est notée I. Ici, plus de 50 %, et de préférence plus de 70 % ou 80 % ou 90 %, des nanoparticules sont parallèle à la direction X. On dit que qu'une nanoparticule est parallèle à une direction lorsque son axe longitudinal est parallèle à cette direction. [0027] On considère que l'axe longitudinal d'une nanoparticule est parallèle à une direction donnée du plan de la monocouche si l'angle entre cet axe longitudinal de la nanoparticule et cette direction donnée est inférieur à 5° et, de préférence, à un angle 0. L'angle 0, exprimé en radian, est donné par la relation suivante : 0 = 2*max(arctan(l/d) ; 7/36), où : - I est la longueur moyenne des nanoparticules le long de leur axe longitudinal, - d est la distance moyenne entre les nanoparticules dans une direction parallèle au plan de la monocouche et perpendiculaire à la direction donnée, - arctan(...) est la fonction qui retourne l'angle en radian dont la tangente se trouve 40 entre parenthèse - max(...) est la fonction qui retourne le maximum des termes entre parenthèses. [0028] Ainsi, la direction d'alignement de la monocouche correspond à la moyenne des directions dans lesquelles s'étendent les différentes nanoparticules qui forment cette monocouche [0029] Un exemple de calcul de la distance d' dans la direction Y, entre une nanoparticule et les nanoparticules immédiatement voisines va maintenant être décrit en se référant à la figure 3. [0030] La distance entre une nanoparticule i est ses voisines peut être calculée à l'aide de la relation suivante : d,=(EpkEn, d(pk, a,))/I0,1 10 où - a, est l'axe longitudinal de la nanoparticule i. Sa détermination ne pose aucun problème car dans le cas présent la nanoparticule 20 est rectiligne. Lorsque la nanoparticule est curviligne, l'axe longitudinal est l'axe qui suit la direction v, et qui passe par le barycentre de tous les points équipondérés de la nanoparticule. La 15 direction v, est la moyenne des directions entre chaque deux points distincts de la nanoparticule - est un ensemble de points représentant les voisins directs de la particule i. Cet ensemble contient tous les points pk des axes longitudinaux des nanoparticules voisines, autres que la nanoparticules i, et qui sont les plus proches de l'axe a, dans 20 le sens de la projection orthogonale, - d(pk, a,) est la distance entre un point pk et l'axe a' -10,I est le nombre de points pk dans O. [0031] Sur la figure 3, les nanoparticules voisines de la nanoparticule i portent la référence 20a. Sur cette figure, les points pk de l'ensemble S2i correspondent aux 25 parties hachurées des nanoparticules 20a. Il s'agit des points des nanoparticules 20a qui sont situés entre deux axes 24, 25 parallèles à la direction Y. Ces axes 24, 25 passent chacun par une extrémité respective de la nanoparticule i. Seules les nanoparticules 20a qui sont les voisines directes de la nanoparticule i sont prises en compte pour le calcul de la distance d,. Une nanoparticule 20a est la voisine directe 30 de la nanoparticule i seulement s'il n'existe pas une autre nanoparticule 20 située à l'intérieur de l'intervalle qui la sépare de la nanoparticule i. Ainsi, à titre d'illustration, sur la figure 3, la nanoparticule portant la référence 20b n'est pas une voisine directe de la nanoparticule i car il existe au moins une nanoparticule 20a située entre celle-ci est la nanoparticule i. 35 [0032] La distance d est la moyenne des distances d,. La distance d peut être estimée à partir d'images micro- ou nanoscopique de la monocouche 10 et/ou par des calculs géométriques tenant comptes de la distribution des nanoparticules formant la monocouche 10. [0033] A cause de cette disposition particulière, la monocouche 10 présente une conductivité dans la direction X deux fois ou 100 fois ou 1 000 fois supérieure à sa conductivité dans la direction Y ou Z. [0034] Dans le cas présent, les nanoparticules 20 sont des nanotubes de carbone.

La conductivité d'un nanotube de carbone le long de son axe longitudinal est de 3 500 W/K/m à 20 °C et de 1,5 W/K/m dans une direction orthogonale à son axe longitudinal. Dans ces conditions, la conductivité de la monocouche 10 dans la direction X est plus de 1 000 fois supérieure à sa conductivité dans les directions Y et Z. [0035] Dans ces conditions, le film 2 présente lui aussi une conductivité dans les directions X et Y plusieurs centaines de fois supérieures à sa conductivité dans les autres directions latérales ou dans la direction Z. Ainsi, le film 2 se révèle très efficace pour évacuer de la chaleur sur les côtés de la puce 4. [0036] Un procédé de fabrication du film 2 va maintenant être décrit en référence à l'organigramme de la figure 4 et aux schémas des figures 6 à 10. [0037] Le procédé débute par une phase 28 de réalisation d'une monocouche 10. Des procédés de fabrication d'une monocouche de nanotubes de carbone sont connus. Ainsi, seuls les principaux détails de cette phase 28 sont décrits ici. Pour plus d'informations, il est possible de se référer, par exemple, à l'article : N. Patil, A. Lin, E.

Myers, K. Ryu, A. Badmaev, C. Zhou, H.-S.P. Wong et S. Mitra « Wafer-Scale Growth and Transfer of Aligned Single-Walled Carbon Nanotubes » IEEE Trans. Nanotechnology, 2009. [0038] Cette phase 28 débute par une étape 30 de préparation d'un support 32 (figure 5) de croissance. Ce support 32 a une structure cristalline apte à diriger la 25 croissance des nanotubes 20 parallèlement à la direction X. Par exemple, il s'agit du quartz. Ce support 32 présente une face supérieure 34. [0039] Lors d'une étape 36, des centres 38 de nucléation sont réalisés sur la face 34. Les nanoparticules 20 vont croître à partir de ces centres 38 dans la direction X. Sur la figure 5, ces centres 38 de nucléation sont représentés par une couche pour 30 simplifier l'illustration. Dans la réalité, chaque centre de nucléation est une pastille ou un point de 1 à 10 nm de diamètre. Typiquement, cette pastille est réalisée en or. Par exemple, les pastilles sont alignées les unes après les autres dans la direction X. De même, ces mêmes lignes de pastilles sont espacées les unes des autres dans la direction X d'une longueur égale à la longueur moyenne I des nanotubes qui vont 35 croître à partir de ces centres de nucléation. Ainsi, une partie des nanotubes de carbone créés vont avoir des extrémités proches les unes aux autres. [0040] Lors d'une étape 40, on procède à la croissance des nanotubes de carbone à partir des centres 38 de nucléation parallèlement à la direction X. [0041] Une fois que la longueur moyenne de croissance des nanotubes de carbone 40 est jugée suffisante, la croissance des nanoparticules est interrompue. [0042] Ensuite, lors d'une étape 42, les centres 38 de nucléation sont éliminés, par exemple par gravure. On obtient alors la monocouche 10 déposée sur la face supérieure 34 du support 32 (figure 6). [0043] Pour transporter la monocouche 10 sur la face supérieure de la puce 4, lors d'une étape 44, une couche sacrificielle 45 de transport est déposée sur la monocouche 10 (figure 7). Cette couche sacrificielle de transport colle ensemble les nanotubes de carbone pour conserver l'agencement de ces nanotubes de carbone entre eux. De plus, cette couche 45 est ici suffisamment épaisse pour être séparée du support 32, puis manipulée indépendamment du support 32. [0044] Lors d'une étape 46, la couche sacrificielle 45 est séparée du support 32. Par exemple la séparation est obtenue en exerçant une traction mécanique sur la face extérieure de cette couche 45 qui l'éloigne du support 32. Après la séparation, les nanotubes de carbone 20 sont solidaires de la face inférieure de la couche 45. [0045] Après la séparation, lors d'une étape 48, la couche 45 et les nanotubes de carbone sont transportés ensemble, jusqu'à se trouver en vis-à-vis de la face supérieure de la puce 4. Lors de cette étape, si nécessaire, la couche 45 est tournée autour d'un axe vertical pour aligner les nanotubes de la monocouche 10 parallèlement à la direction X. [0046] Puis, lors d'une étape 50, la face inférieure de la couche 45 est mise en contact avec la face supérieure en oxyde de silicium de la puce 4. Les nanotubes de carbone 20 adhèrent alors à la face supérieure de la puce 4. [0047] Ensuite, lors d'une étape 52, la couche 45 est dissoute pour ne laisser subsister que les nanotubes de carbone 20 de la monocouche 10 sur la puce 4 (figure 8). [0048] La phase 28 de réalisation de la monocouche 10 sur la puce 4 s'achève alors. On procède alors a une phase 62 de réalisation de la monocouche 12 sur la monocouche 10 qui vient d'être déposée sur la puce 4. Cette phase 62 est identique à la phase 28 sauf que lors de l'étape 48, la couche sacrificielle 45 est tournée de manière à ce que les nanotubes de la monocouche 12 s'étendent parallèlement à la direction Y et non pas parallèlement à la direction X. [0049] Ensuite, les phases 28 et 62 sont réitérées plusieurs fois pour construire l'empilement 6 sur la puce 4 (figure 9). [0050] Enfin, lors d'une étape 64, une fois l'empilement 6 construit, la couche métallique 8 est déposée sur son sommet. Lors de l'étape 64, des atomes de métal se diffusent dans les intervalles entre les nanotubes et forment ainsi la matrice 22. La matrice 22 colle sans aucun degré de liberté les nanotubes de carbone les uns aux autres (figure 10). Cette couche métallique 8 est par exemple déposée par dépôt physique, par pulvérisation ou évaporation ou par dépôt chimique ou par électrolyse. [0051] La figure 11 représente un procédé de fabrication d'un film 70 (figure 12) autoporté identique au film 2 sauf que les monocouches 12 sont omises. [0052] Ce procédé débute par une étape 73 de fourniture d'un support temporaire 74 (figure 13) comportant sur sa face supérieure une couche sacrificielle 76 qui permet de décoller le film 70 de ce support temporaire 74. De plus, la couche sacrificielle 76 est préparée pour permettre un collage direct des nanotubes de carbone sur celle-ci. [0053] Ensuite, on procède à une phase 77 de réalisation de la monocouche 10 sur la couche sacrificielle 76. Cette phase 77 est identique à la phase 28, sauf que les étapes 44 à 52 sont remplacées par des étapes 70 et 72. [0054] Lors de l'étape 70, au lieu de déposer la couche sacrificielle 45 sur la monocouche 10, on procède au collage direct de la monocouche 10 sur la couche sacrificielle 76. A cet effet, le support 32 et la monocouche 10 sont renversés de sorte que la monocouche 10 vienne directement en contact sur la face supérieure de la couche sacrificielle 76. Les nanotubes de carbone 20 adhèrent alors à la face supérieure de la couche sacrificielle. Cette adhésion est par exemple due aux forces de Van der Waals. [0055] Ensuite, lors de l'étape 72, le support 32 est retiré en laissant la monocouche 10 collée sur la face supérieure de la couche sacrificielle 76. [0056] La phase 77 est réitérée plusieurs fois pour créer un empilement 78 de plusieurs monocouches 10 déposées directement les unes au-dessus des autres (figure 14). On notera que dans ce mode de réalisation, tous les nanotubes de toutes 20 les monocouches sont parallèles à la direction X. [0057] Ensuite, la couche métallique 8 est déposée, lors d'une étape 80, sur l'empilement 78. Cette étape 80 est par exemple identique à l'étape 64. On obtient alors le film 70 déposé sur le support 74. [0058] Enfin, lors d'une étape 82, on procède à la séparation du film 70 du support 25 74 au niveau de la couche 76. Par exemple, cette séparation est obtenue par gravure sélective de la couche sacrificielle 76 ou par traction mécanique sur la couche 8 pour la séparer du support 74. A l'issu de cette étape, on obtient alors le film 70. Ce film 70 est autoporté dans le sens où il n'a pas besoin d'être fixé sur un autre support pour être transporté. 30 [0059] La figure 15 représente un film autoporté 90 identique au film 70, sauf que des couches intermédiaires 72 sont logées entre chaque monocouche 10. Chaque couche intermédiaire peut être, par exemple, réalisée en polymère. Un tel polymère est par exemple de la résine époxyde. De préférence, le matériau polymère est mélangé avec des nanoparticules présentant une conductivité thermique beaucoup 35 plus importante que la conductivité thermique du matériau polymère lui-même. Par exemple, ces nanoparticules peuvent être des nanotubes de carbone, des nanoparticules de cuivre ou d'aluminium. Toutefois, dans ces couches intermédiaires, les nanoparticules ne sont pas organisées pour que la majorité des nanoparticules soient parallèles à une direction donnée. [0060] Typiquement, l'épaisseur de cette couche intermédiaire 92 est comprise entre 0,5 pm et 5 pm. [0061] Ici, cette couche intermédiaire 92 est également utilisée pour coller entre eux les nanotubes de carbone 20. Ainsi, dans ce mode de réalisation, la matrice 22 est 5 dans le même matériau que les couches 92. [0062] La couche intermédiaire 92 peut aussi être réalisée en métal. Il est aussi possible d'avoir dans un même empilement des couches intermédiaires 92 réalisées en différents matériaux pour obtenir des propriétés mécaniques souhaitées du film 90. Par exemple, l'une des couches 92 est réalisée en métal tandis qu'une autre 10 couche 92 est réalisée en polymère. [0063] Le procédé de fabrication du film 90 est le même que celui décrit en référence aux figures 4 et 11, sauf qu'une étape 96 supplémentaire et ajoutée après le dépôt d'une monocouche. Cette étape 96 est représentée en pointillés sur les figures 4 et 11. Lors de l'étape 96, la couche intermédiaire 92 est déposée sur la 15 dernière monocouche réalisée avant le dépôt de la monocouche suivante. [0064] Différentes utilisations sont possibles pour les films précédemment décrits. Par exemple, la figure 16 représente un exemple d'utilisation du film 2. Dans cet exemple, le film 2 est interposé entre la puce 4 et une autre puce électronique 102 fixée directement au-dessus de la puce 4. De plus, dans la figure 16, les puces 4 et 20 102 sont électriquement accordées l'une à l'autre à travers le film 2. Dans ce cas, le film 2 est percée, par exemple, par gravure. La gravure consiste par exemple à alterner des gravures plasmas pour graver la matière organique et des gravures chimiques pour graver les matières métalliques. [0065] Les trous réalisés dans le film 2 ont alors pour fonction de laisser des 25 passages libres pour les connexions électriques entre les deux puces. [0066] Pour simplifier la figure 16, une seule connexion électrique verticale 104 entre les deux puces a été représentée. Cette connexion verticale comporte par exemple un via vertical ou TSV (« Through Silicon Via »). [0067] Dans cette position, le film 2 facilite l'évacuation de la chaleur produite par les 30 puces 4 et 102 sur les côtés de ces puces et limite l'apparition de points chauds à l'intérieur de la superposition des puces électroniques. [0068] La figure 17 représente un autre cas d'utilisation. Ce cas est illustré avec le film 70. Dans ce cas d'utilisation, le film 70 est déposé sur les côtés verticaux de la puce 4 et s'étend aussi sur la face horizontale d'un substrat 110 sur lequel la puce 4 35 est fixée sans aucun degré de liberté. Par exemple, le film 70 est déposé après le report de la puce 4 sur le substrat 110. Le film 70 peut être déposé par laminage. [0069] La figure 18 représente un autre cas possible d'utilisation. Ce cas d'utilisation est illustré avec le film 90. Dans la figure 18, le film 90 sert de capot à la puce 4. De plus, dans le mode de réalisation représenté, la puce 4 comporte une cavité 118 40 remplie d'un matériau 120 à changement de phase ou PCM (Phase Change Material). Le film 90 ferme de façon étanche la partie supérieure de la cavité 118. Ainsi, en plus de retenir le matériau 120 à l'intérieur de la cavité 118, le film 90 permet aussi d'évacuer latéralement très efficacement la chaleur stockée dans le matériau 120. [0070] De nombreux autres modes de réalisation sont possibles. Par exemple, les nanoparticules ne sont pas nécessairement des nanotubes de carbone. Il est aussi possible d'utiliser des nano-fils en matériau thermiquement conducteur comme par exemple des nano-fils de silicium ou de titane. Les nanoparticules peuvent aussi être des nano-éléments orientés. Les nano-éléments orientés sont des motifs ayant un facteur de forme identiques à celui des nanoparticules 20 et une largeur comprise entre 5 nm à 200 nm, ces motifs étant répétés sur toute la surface de la monocouche. Les nano-éléments orientés sont réalisés par nanostructuration, c'est-à-dire une structuration utilisant des procédés lithographiques standards (tel que masquage et gravure ou nanopatterning etc...). Par exemple, les nano-éléments orientés sont des lignes de largeur de 5 à 20 nanomètres ou supérieure à 20 nanomètres, et de longueur quelconque, gravées dans un matériaux conducteur thermiquement, tel que du diamant synthétique. De tels nano-éléments orientés sont décrits dans : J. E. Graebner, S. Jin, G. W. Kammlott, J. A. Herb et C. F. Gardinier « Large anisotropic thermal conductivity in synthetic diamond films », Nature 359, 401 - 403 (01 October 1992). [0071] De nombreux autres modes de réalisation des procédés de fabrication sont possibles. Par exemple, la séparation du film du support, sur lequel il se trouve de manière à obtenir un film autoporté, peut être aussi réalisée à l'aide du procédé de la figure 4. A l'inverse, l'étape 82 du procédé de la figure 11 peut être omise. Dans ce cas, le support 74 est de préférence remplacé par une puce électronique à refroidir. [0072] Dans une autre variante, le film est directement fabriqué sur la puce électronique à refroidir. [0073] Le collage des nanoparticules entre elles peut être réalisé de différentes façons. Par exemple, après l'élimination de la couche sacrificielle 45, on procède au dépôt d'une couche de liant tel qu'une couche de résine époxyde qui remplit les intervalles entre les nanoparticules avant d'empiler la monocouche suivante. Une autre méthode consiste à préparer la surface des nanoparticules pour qu'elles soient suffisamment propres pour que les nanoparticules d'une monocouche adhèrent directement, par exemple, grâce aux forces de Van der Waals, sur les nanoparticules des monocouches situées immédiatement au-dessus et au-dessous. Une autre méthode de collage consiste après la phase 28 ou 77 à procéder à la densification des nanoparticules, telles que les nanotubes de carbone, en les exposant à un alcool par exemple. [0074] D'autres méthodes existent pour aligner les nanotubes de carbone, par exemple une autre méthode est décrite dans l'article suivant : X. Q. Chen, T. Saito, H.

Yamada, et K. Matsushige « Aligning single-wall carbon monotubes with an alternating-current electric field », Appli. Physic letter 78, 3714 (2001). [0075] En variante, l'étape 52 est omise. La couche 45 reste alors à l'intérieur de l'empilement pour, par exemple, remplir la fonction de couche intermédiaire. [0076] Il est aussi possible de fabriquer plusieurs monocouches empilées les unes sur les autres sur le substrat de croissance puis de transférer en une seule fois cet empilement sur le support receveur. [0077] N directions d'alignement différentes peuvent être utilisées pour former l'empilement de monocouches, où N est un entier strictement supérieur à 2. Par exemple, N est supérieur à 4, 8 ou 10. Par exemple, les N directions d'alignement sont uniformément réparties sur un secteur angulaire de 180°. Par exemple, les directions d'alignement d'une monocouche à la suivante sont décalées angulairement l'une par rapport à l'autre de 60°, 45° ou 30°. [0078] Des couches métalliques peuvent être ajoutées au-dessus et au-dessous de 15 l'empilement de monocouches. A l'inverse, les couches métalliques situées aux extrémités de l'empilement de monocouches peuvent être omises ou présentes d'un seul côté de l'empilement. [0079] Le film situé entre deux puces électroniques successives n'est pas nécessairement gravé. Cela peut être le cas si les puces électroniques ne sont pas 20 électriquement connectées l'une à l'autre ou si celles-ci sont connectées par exemple par d'autres technologies comme la technologie connue sous le terme de « Wire Bounding ». posol Le film décrit ici peut être utilisé pour évacuer la chaleur de tout type d'éléments et non pas seulement d'une puce électronique. 25 [0081] Pour simplifier la fabrication, il est possible de ne pas aligner les nanoparticules sur une direction d'alignement donnée dans les monocouches. Par exemple, les nanoparticules sont réparties de façon uniforme au sein de chaque monocouche. En faisant cela, on obtient un film qui présente une bonne conductivité dans toutes les directions latérales. Toutefois, même si l'on utilise les mêmes 30 nanoparticules, cette conductivité reste inférieure à celle obtenue dans la direction d'alignement pour les couches 10 et 12. Dans ce cas , les nanoparticules peuvent être du graphène ou du graphite pyrolytique.

Claims (15)

1. REVENDICATIONS1. Film thermiquement conducteur permettant d'évacuer la chaleur préférentiellement dans une ou plusieurs directions prédéterminées parallèles au plan dans lequel il s'étend, caractérisé en ce que le film comporte un empilement (6 ; 78), dans la direction perpendiculaire à son plan, de plusieurs monocouches (10, 12) de nanoparticules (20), chaque nanoparticule présentant un axe longitudinal contenu dans le plan de la monocouche le long duquel elle s'étend et une conductivité thermique dans la direction parallèle à son axe longitudinal supérieure à 100 W/K/m à 20°C, les axes longitudinaux d'au moins 50 % des nanoparticules d'une même monocouche étant parallèles à une même direction d'alignement à plus ou moins 5° près de manière à ce que la monocouche conduise préférentiellement la chaleur dans cette direction d'alignement, et les directions d'alignements des différentes monocouches empilées sont parallèles à la ou aux directions prédéterminées.
2. 2. Le film selon la revendication 1, dans lequel le film présente un épaisseur supérieure à 1 pm.
3. 3. Le film selon la revendication 1 dans lequel : - chaque nanoparticule (20) a un facteur de forme supérieure à deux, le facteur de forme d'une nanoparticule étant défini comme le rapport de la longueur sur la largeur du rectangle de plus petite surface, contenu dans le plan de la monocouche, contenant cette nanoparticule, et - au moins 50 % des nanoparticules de la monocouche ont leur axe longitudinal respectif parallèle à la direction d'alignement à plus ou moins 0 près, où l'angle 0, exprimé en radian, est défini par la relation suivante : 0 = 2*max(arctan(l/d) ; 7/36), où - I est la longueur moyenne des nanoparticules le long de leur axe longitudinal, - d est la distance moyenne entre les nanoparticules dans une direction parallèle au plan de la monocouche et perpendiculaire à la direction d'alignement.
4. 4. Le film selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les directions d'alignement de plus de 90 % des monocouches (10) sont toutes parallèles, à plus ou moins 5° près, à la même direction prédéterminée.
5. 5. Le film selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les directions d'alignement d'une première partie des monocouches (10) sont toutesparallèles, à plus ou moins 5° près, à une même première direction prédéterminée, et les directions d'alignement d'une seconde partie des monocouches (12) sont toutes parallèles, à plus ou moins 5° près, à une même seconde direction prédéterminée, les première et seconde directions prédéterminées étant décalées angulairement l'une par rapport à l'autre de plus de 5°.
6. 6. Le film selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le film comporte au moins une couche (92) métallique ou en polymère, cette couche métallique ou en polymère étant interposée entre deux monocouches de l'empilement et/ou en-dessous et/ou au-dessus de l'empilement.
7. 7. Le film selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les monocouches (10) sont directement empilées les unes sur les autres. 15
8. 8. Le film selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les nanoparticules sont des nanotubes de carbone ou des nanofils ou des nanoéléments orientés, les nano-éléments orientés étant des motifs présentant un facteur de forme supérieur à deux et une largeur comprise entre 5 à 200 nm, ces 20 nano-éléments orientés étant répétés sur toute la surface de la monocouche.
9. 9. Le film selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque monocouche (10) comporte des nanoparticules noyées dans une matrice (22).
10. 10. Le film selon la revendication 9, dans lequel la conductivité thermique de la matrice (22) dans la direction d'alignement des nanoparticules est au moins deux fois plus petite que la conductivité thermique des nanoparticules dans cette même direction d'alignement.
11. 11. Ensemble comportant une puce électronique (4 ; 102) à refroidir et un film (2 ; 70 ; 90) thermiquement conducteur en contact mécanique avec la puce électronique, caractérisé en ce que le film est conforme à l'une quelconque des revendications précédentes. 35
12. 12. Procédé de fabrication d'un film thermiquement conducteur permettant d'évacuer la chaleur préférentiellement dans une ou plusieurs directions prédéterminées parallèles au plan dans lequel il s'étend, caractérisé en ce que ce procédé 25 30comporte la réalisation (28, 62 ; 77) d'un empilement, dans la direction perpendiculaire au plan du film, de plusieurs monocouches de nanoparticules, chaque nanoparticule présentant un axe longitudinal contenu dans le plan de la monocouche le long duquel elle s'étend et une conductivité thermique dans la direction parallèle à son axe longitudinal supérieure à 100 W/K/m à 20°C, les axes longitudinaux d'au moins 50 % des nanoparticules d'une même monocouche étant parallèles à une même direction d'alignement à plus ou moins 5° près de manière à ce que la monocouche conduise préférentiellement la chaleur dans cette direction d'alignement, et les directions d'alignements des différentes monocouches empilées sont parallèles à la ou aux directions prédéterminées.
13. 13. Le procédé selon la revendication 12, dans lequel : a) la monocouche de nanoparticules est d'abord réalisée sur une face d'un support 15 de croissance, puis b) une couche de transport est déposée (44) sur la monocouche de nanoparticules, c) la couche de transport et la monocouche de nanoparticules sont alors séparées (46) du support de croissance au niveau de l'interface entre la monocouche de nanoparticules et le support de croissance, puis 20 d) la couche de transport et la monocouche de nanoparticules séparées sont transportées (48) puis disposé sur une face extérieure d'un substrat récepteur, puis les étapes précédentes sont réitérées pour réaliser un empilement de plusieurs monocouches de nanoparticules sur la face extérieure du substrat récepteur. 25
14. 14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel, après l'étape d), la couche de transport est dissoute (52) pour laisser seulement la monocouche de nanoparticules sur la face extérieure du support récepteur.
15. 15. Procédé selon la revendication 13 ou 14, dans lequel, avant chaque réitération 30 des étapes a) à d), une couche de métal ou de polymère est déposée sur la monocouche disposée sur la face extérieure du substrat lors de l'itération précédente des étapes a) à d).