Les Matériaux d’Interface Thermique pour la microélectronique de puissance

Télécharger le fichier pdf d’un mémoire de fin d’études

Intégration des TIMs dans les systèmes électroniques de puissance

Les matériaux d’interface thermique induisent entre 30 et 50 % de la résistance thermique totale des dispositifs à haute densité de puissance et représentent un point clé dans l’évolution de la microélectronique de puissance. Les travaux menés à Thales reposent sur l’utilisation de circuits intégrés monolithiques hyperfréquences (MMIC) où sont utilisés plus particulièrement les HPAs (High Power Amplifiers) qui présentent une très grande densité de puissance. Au sein de ces dispositifs, les TIMs sont différenciés en deux catégories. Les TIMs 1 dits « die attach » sont intégrés entre la puce et le boitier. Les TIMs 2 ou « gap filler », sont présents entre le boitier et le dissipateur thermique. La Figure 1 représente un cas général où l’emplacement des TIMs peut être visualisé.
Figure 1 : Structure d’un dispositif en coupe présentant l’emplacement des différents matériaux constituant une interface thermique
Lors du fonctionnement de ces composants électroniques, différentes contraintes fonctionnelles apparaissent, ayant pour effet de modifier les températures de fonctionnement et la fiabilité des systèmes, tout en provoquant différents dommages aux composants. Ces contraintes sont les suivantes :
– Effet de la température en régime continu : peut provoquer une dégradation des performances du circuit électrique,
– Effet de l’amplitude des cycles thermiques : inflige un vieillissement précoce des composants dû à leur coefficient de dilatation thermique (CTE),
– Les gradients de température : augmentent l’électromigration là où la densité de courant est élevée,
– La rapidité de changement de température : a pour effet de provoquer des délaminations entre les différents composants constituant le système notamment dues à une différence de coefficient de dilatation thermique entre composants.
En raison de ces contraintes, les TIMs doivent se conformer à plusieurs spécifications techniques propres à leurs fonctions:
– Concernant les TIMs 1, les spécifications techniques sont les suivantes :
o Une épaisseur inférieure à 30 μm,
o Une résistance thermique de l’ordre du mm²K/W,
o Une conductivité thermique effective (Figure 2 et Équation 1) comprise entre
10 et 30 W/m.K,
o Une bonne conformabilité des surfaces,
o Une grande conduction électrique,
o Une capacité à s’adapter aux différences de CTE entre le substrat en cuivre du boitier (17.10-6 K-1) et le silicium de la puce (2,8.10-6 K-1),
o Une fiabilité conforme aux exigences de l’avionique,
o Adaptable aux procédés industriels de mise en oeuvre des systèmes électroniques.
La notion de conductivité thermique effective correspond à l’épaisseur totale du TIM divisée par la résistance thermique du TIM, définie par l’Équation 1.
D’un point de vue général, les TIMs 1 se trouvent au contact de la puce qui génère une forte densité d’énergie ce qui implique une quantité importante de chaleur à évacuer sur une petite surface de contact (Figure 3). Par ailleurs, la conductivité thermique de l’environnement immédiat de la puce conditionne en grande partie sa température d’équilibre en fonctionnement, la conductivité thermique du TIM 1 est le paramètre prépondérant.
– Pour les TIMs 2, les contraintes sont les suivantes :
o Une épaisseur comprise entre 100 et 1000 μm avec compensation d’altitude (différences de hauteur entre les substrats),
o Une conformabilité des surfaces,
o Une conductivité thermique effective (Figure 2 et Équation 1) supérieure à 5 W/m.K,
o Etre conducteur électrique,
o Etre capable de s’adapter aux différences de CTE,
o Une fiabilité conforme aux exigences de l’avionique,
o Etre adaptable aux procédés industriels de mise en oeuvre des systèmes électroniques,
o Etre amovible et remplaçable,
o Selon les applications, avoir la possibilité de stocker de la chaleur, tels que les matériaux à changement de phase (PCMs).
Les TIMs 2 quant à eux, reçoivent la même quantité de chaleur à évacuer que les TIMs 1. Cependant, leur surface de contact est bien plus élevée, ce qui permet de diminuer la densité d’énergie (Figure 3). Ainsi, la conductivité thermique du TIM 2 est moins cruciale dans le contrôle thermique des dispositifs de puissance.
Pour conclure, l’optimisation de la conductivité thermique des TIMs 1 apparaît comme une priorité afin de mieux diffuser la chaleur et de permettre le contrôle de la température de fonctionnement des systèmes électroniques. Il est nécessaire d’axer les recherches sur la mise au point de nouveaux TIMs 1 ayant la capacité de respecter l’ensemble des spécificités techniques souhaitées, tout en augmentant de façon significative leur conductivité thermique.

Les TIMs : Généralités

Dans ce paragraphe, le rôle des TIMs est exposé ainsi que les résistances thermiques présentes entre deux substrats. Puis les différents TIMs 1 et 2 commerciaux sont présentés avec leurs avantages et inconvénients.

Principe de fonctionnement des TIMs

Lorsque deux composants sont assemblés, seul un faible pourcentage de leurs surfaces est réellement en contact, lié à la présence d’aspérités de surface propres à chaque matériau. Ces aspérités sont dues principalement à deux phénomènes qui sont la planéité et la rugosité de surface comme montré à la Figure 4.
Figure 4 : Rôle des Matériaux d’Interface Thermique
Ces irrégularités limitent les points de contact mécaniques entre les deux substrats à seulement 1 à 2 % 6 de la surface totale, ce qui a pour effet de créer une constriction du flux de chaleur entre ces substrats et d’augmenter la résistance de contact à l’interface.
Une seconde approche permettant d’expliquer une forte résistance à l’interface est de prendre en compte la conductivité thermique de l’air présent dans les zones interstitielles. Cette conductivité étant faible, elle a pour effet de diminuer la conductance de l’ensemble par rapport au cas du contact idéal. Les irrégularités de surface, permettant la création de ces zones interstitielles, représentent la première cause de résistance de contact (Rcs) entre deux matériaux.7
La résistance thermique totale RcTotal de l’interface créée avec les matériaux 1 et 2 est constituée de deux résistances en parallèles qui sont les résistances de contact (Rcs) vues précédemment mais aussi de la résistance due à l’air (Rair) situé dans les zones interstitielles (Équation 2).6 Équation 2 : Résistance thermique totale d’une interface solide-solide
Cependant, l’air présentant une conductivité thermique faible (environ 10-2 W/m.K), la résistance liée à l’air (Rair) est très grande devant la résistance de contact (Rcs). Cette dernière peut être négligée. Ainsi RcTotal est représentée par l’Équation 3 suivante : *+,-./0 ≈ *+4
Équation 3 : Approximation de la résistance thermique totale d’une interface solide-solide
Dès lors qu’un matériau d’interface thermique est inséré entre les matériaux 1 et 2, les zones interstitielles remplies d’air sont remplacées par un matériau de meilleure conductivité thermique et améliore le flux de chaleur (Figure 4).
La Figure 5 permet de visualiser l’effet de la présence d’un TIM sur la résistance de contact à l’interface de deux matériaux en fonction de la pression appliquée sur l’ensemble. En l’absence de TIM et sans pression, la résistance de contact Rc est très grande (>> 1 K.cm²/W).6 Lorsque la pression augmente, le nombre de points de contact entre les matériaux augmente et la résistance de contact tend à diminuer jusqu’à atteindre au mieux 0.5 K.cm²/W mais avec une pression exercée de 1.106 Pa.
Dans un cas idéal où l’interface est entièrement remplie avec un matériau d’interface thermique, la résistance de contact due à la présence d’un TIM devient RcTIM et RcTotal.
Équation 4 : Résistance thermique totale d’une interface avec un TIM
Afin de réduire RcTotal, il apparaît judicieux de remplacer l’air situé entre les substrats de silicium et le cuivre par un matériau présentant de meilleures propriétés thermiques. Pour une conductivité thermique du TIM (k TIM) de 0,2 W/m.K, RcTIM devient faible par rapport à Rcs mais permet tout de même de diminuer RcTotal. Lorsque k TIM est multipliée par un facteur 10, RcTIM devient très faible comme présenté à la Figure 5 et met en évidence l’intérêt d’utiliser des TIMs possédant une conductivité thermique optimale.
La Figure 5 présente le cas d’un TIM idéal, c’est-à-dire que le TIM est capable de combler l’ensemble des zones interstitielles remplies d’air et de remédier à toutes les aspérités de surface des matériaux utilisés. Dans cette configuration, apparaissent les contributions liées aux résistances de Kapitza,8 lorsque deux matériaux sont en contact parfait comme dans le cas d’un contact solide-liquide avec un mouillage parfait du liquide sur le solide. C’est également possible avec un contact solide-solide pour des dépôts réalisés par exemple par voie électrolytique, ou bien en phase vapeur. Les matériaux ayant des propriétés différentes, il se crée un défaut de transfert d’électrons et/ou de phonons d’un matériau à l’autre et crée la résistance de Kapitza.
Cependant, ce cas idéal n’est pas accessible et la réalité est représentée par la Figure 6. Le TIM dans le cas réel a une certaine épaisseur BLT (Bond Line Thickness) et est incapable de remédier à l’ensemble des vides présents à l’interface en raison de son incapacité à mouiller complétement la surface. Les performances du TIM sont donc moins élevées que celles prédites par la Figure 5. Figure 6 : Cas réel d’un TIM inséré entre deux matériaux6
– Rc représentent les résistances de contact du TIM avec les deux matériaux,
– Rbulk correspond uniquement à la résistance du TIM.
Pour minimiser Rc Totale, trois paramètres sont à prendre en compte, il s’agit de la conductivité des TIMs (kTIM), de leur épaisseur (BLT) et de leur résistance de contact (Rc). Malgré les observations réalisées à l’aide de la Figure 5, kTIM seul ne suffit pas à optimiser Rc Totale. Pour cela, il est nécessaire de réaliser des TIMs permettant de minimiser leur épaisseur (BLT) et d’utiliser des matériaux ayant des résistances de contacts plus faibles envers les substrats de type silicium et cuivre.
L’efficacité d’un TIM découle donc d’un ensemble de facteurs :
– Mécanique : capacité à se déformer pour compenser la rugosité de surface et à s’écouler pour minimiser l’épaisseur (BLT),
– Thermique : possédant une grande conductivité thermique,
– Physico-chimique : tension de surface.
Le principe d’application des TIMs ayant été décrit, il est désormais possible de présenter les TIMs commerciaux.

Les Matériaux d’Interface Thermique Commerciaux

Il y a actuellement plusieurs types de matériaux d’interface thermique disponibles sur le marché. Les principaux matériaux utilisés peuvent être regroupés en trois groupes :
– Les Composites,
– Les Métaux,
– Les Matériaux à changement de phases (PCMs).

Le choix d’un matériau d’interface thermique

Plusieurs facteurs rentrent en ligne de compte pour le choix d’un matériau d’interface thermique. Les caractéristiques typiques qui peuvent influencer le choix d’un TIM sont les suivantes :
– Propriétés thermiques :
o La conductivité thermique
o La résistance thermique de contact
– Propriété mécanique :
o La résistance à la rupture
– Propriété électrique :
o La conductivité électrique
– Mode de mise en oeuvre :
o La pression
o La viscosité
o L’état de surface des matériaux
o La facilité d’application du TIM
o La zone de température de fonctionnement du système étudié
o La température de changement de phase (concernant les PCMs)
– La fiabilité,
– Le coût,
– La performance.
Pour cela, l’ensemble des différents types de matériaux d’interfaces thermiques sont répertoriés dans les paragraphes suivants et le Tableau 1 présente les propriétés thermiques ainsi que les avantages et inconvénients de chacun.

Les Composites

Les composites disponibles sur le marché comprennent les graisses thermiques et les adhésifs constitués principalement des élastomères et des thermodurcissables.
Les graisses thermiques :
Ces matériaux sont constitués de deux composés : une matrice organique et des particules inorganiques. La matrice organique est généralement constituée de polymère à base de silicone,9-10 ou encore de polyéthylène glycol. Concernant les particules inorganiques, ces dernières peuvent être des particules métalliques ou des oxydes choisis en fonction des propriétés souhaitées des graisses thermiques. Elles peuvent être conductrices électriques ou non. Les particules couramment utilisées sont Ag, Ni, Al, Cu pour les métalliques et SiO2, Al2O3, ZnO, etc., pour les oxydes. Quelques nitrures comme le BN ou bien AlN sont également trouvés.
La matrice organique procure les propriétés de viscosité, de tenue en température et dans le temps des graisses thermiques. Enfin, le taux de charge en particules inorganiques peut influer sur les propriétés rhéologiques du polymère.
Les graisses sont appliquées directement à la surface des matériaux. Leur fluidité permet de supprimer en partie les zones interstitielles remplies d’air et d’augmenter la conductance de l’ensemble. Cependant, ces matériaux n’étant pas adhésifs, ils sont destinés à des applications en TIMs 2.
Les adhésifs :
Les adhésifs conducteurs sont composés de la même façon que les graisses thermiques. Une matrice organique et des particules inorganiques sont présentes. Cependant, la matrice est cette fois-ci, une résine thermodurcissable telle qu’une résine époxy. Elle confère à l’assemblage une bonne résistance mécanique, mais le rend impossible à démonter.
L’application visée rentre dans la catégorie des TIMs 1. Dans cette catégorie, il s’agit principalement d’élastomères. Ces matériaux sont similaires aux graisses thermiques, ils sont composés d’une matrice d’élastomère à base de silicone et de nanoparticules inorganiques.
Le taux de charge en nanoparticules est un facteur important pour conférer au matériau les propriétés adéquates à son utilisation. Si le taux de charge est trop faible, alors il ne sera pas suffisamment conducteur thermique. A l’opposé, si le taux de charge est trop élevé, alors l’ensemble sera un bon conducteur thermique mais les propriétés données par l’élastomère telles que la possibilité de se conformer à l’état de surface des matériaux en contact et sa viscosité seront perdues.

Les métaux

Les soudures :
Grâce à leur excellente conductivité thermique, les soudures améliorent drastiquement la conductivité thermique entre deux substrats. Cependant, elles sont sensibles aux différences de CTE pouvant exister entre deux matériaux. Cela va provoquer des cassures et ainsi diminuer la fiabilité de l’ensemble. Pour réaliser une soudure, une feuille de métal est insérée entre deux matériaux. Le tout est chauffé à une température adéquate afin de faire fondre la feuille et de permettre au liquide de se conformer à l’état de surface des matériaux environnants.
Les soudures ne présentent pas la possibilité d’être démontable, de ce fait, elles sont utilisées dans le cadre des TIMs 1.

Les matériaux à changement de phase

Les matériaux à changement de phase sont principalement destinés à des applications allant de 10 à 80°C. Les PCMs peuvent emmagasiner ou libérer de l’énergie durant leur changement d’état (principalement la fusion / solidification). Ils possèdent la propriété de fondre dans une plage de température comprise entre 50 et 80°C,11 correspondant aux températures de fonctionnement des composants de l’électronique de puissance à base de silicium. L’application visée de ces matériaux correspond au TIMs 2. Plusieurs types de PCMs peuvent être distingués par les catégories suivantes :
Les pads thermiques : 12
o Ils ont pour caractéristiques d’être solides à température ambiante, les rendant facilement manipulables. Ils sont similaires aux élastomères, mais sont préréticulés.
Les alliages à bas point de fusion : 13-14
o Ils doivent être à l’état liquide en dessous de la température de fonctionnement des composants électroniques afin de combler toutes les aspérités de surface des matériaux. Les métaux principalement utilisés sont le bismuth, l’indium, le galium et l’étain. Cependant, l’inconvénient majeur de ces métaux est qu’ils s’écoulent lorsqu’ils sont appliqués sur des interfaces verticales. De plus avec le cycle thermique, il y a apparition d’intermétalliques créés par oxydation et corrosion des métaux ce qui a pour effet de fortement diminuer leur capacité à dissiper la chaleur.
Les alliages à mémoire de formes : 15
o Ils sont composés de graisse thermique associés à un ou plusieurs alliages à mémoire de forme. L’élévation de la température provoque le changement de phase de l’alliage à mémoire de forme. Ce type de matériau est appliqué entre la source de chaleur et le dissipateur thermique. Typiquement, sont utilisés des colloïdes d’argent ou de silicium en tant que graisse et les charges utilisés, sont des nano-CuNiTi, nano-CuAlZn et nano-NiTiAlZ dont le diamètre varie de 10 à 100 nm.
L’argile exfoliée :16
o Ces matériaux sont composés de polymères, de nanoparticules conductrices thermiques et d’argile exfoliée. L’argile exfoliée à la propriété d’augmenter la conductivité thermique de l’ensemble avec seulement un taux de charge de 10% en masse. De plus, l’argile permet de réduire la diffusion de l’oxygène et de l’eau dans le matériau, ce qui améliore sa fiabilité et sa tenue dans le temps.
Les charges fusibles / non fusibles :17
o La matrice est toujours composée d’un polymère à base de silicone, combinée avec des charges fusibles et non fusibles. Les charges fusibles forment un matériau composite fusible. Les charges non fusibles permettent de créer un mélange avec les fusibles et renforcent les propriétés mécaniques du PCMs.
Actuellement, un mélange composé de 60-90% en masse de charge fusible et de 5-50 % en masse de charge non fusible est utilisé pour obtenir les meilleures propriétés du PCM.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Généralités, Etat de l’Art et Problématiques
1. Les Matériaux d’Interface Thermique pour la microélectronique de puissance
1.1. Management des composants électroniques
1.1.1. Introduction
1.1.2. Intégration des TIMs dans les systèmes électroniques de puissance
1.2. Les TIMs : Généralités
1.2.1. Principe de fonctionnement des TIMs
1.2.2. Les Matériaux d’Interface Thermique Commerciaux
1.3. Les TIMs pour composants de puissance
2. Nanotubes de carbone et Matériaux d’Interface Thermique à base de CNTs
2.1. Les Nanotubes de carbone
2.1.1. Propriétés
2.1.2. Fonctionnalisation des CNTs
2.1.3. Fonctionnalisation non covalente des Nanotubes de carbone
2.1.4. Fonctionnalisation covalente des Nanotubes de carbone
2.1.5. Applications pour la thermique
2.2. Les Nanotubes de carbone verticalement alignés
2.2.1. Propriétés Mécaniques des tapis de VACNTs
2.2.2. Propriété Thermique des tapis de VACNTs
2.2.3. Les applications des VACNTs
2.3. Les TIMs à base de VACNTs
2.3.1. Introduction
2.3.2. Résistance de contact CNTs / Substrat
2.3.3. Etude de la dispersion en hauteur des CNTs
2.3.4. Etude du contact CNTs / Substrat opposé
2.3.5. Contact covalent CNTs / Polymère
2.3.6. Conclusion
3. Objectifs de la thèse
Chapitre II : Caractérisations Physico-chimiques des Matériaux
1 Instrumentation
1.1 Impédancemètre thermique QuickLine 50
1.1.1 Principe
1.1.2 Les échantillons
1.1.3 Gamme de précision des mesures
1.1.4 Méthode de vérification des mesures par simulation
1.2 Analyseur de diffusivité thermique LFA 447
1.2.1 Principe
1.2.2 Les échantillons
1.2.3 Précautions et limitations
1.2.4 Conclusion
2 Les Nanotubes de carbone
2.1 Caractérisation structurale des tapis de CNTs
2.1.1 Caractérisation au Microscope Electronique à Balayage
2.1.2 Mesure de la densité de VACNTs
2.1.3 Remarques
2.2 Caractérisation thermique des tapis de CNTs
3 Les substrats
3.1 Les Cuivres
3.1.1 Le polissage des cuivres
3.1.2 Analyses AFM
3.1.3 Mesure de la capacité calorifique
3.1.4 Mesure de la diffusivité thermique
3.2 Les cuivres dorés
4 Les polymères
4.1 Le Poly (4-vinylphenylheptanoate) : PVPH
4.2 Le Poly (4-vinylphenyl-6-azidohexanoate) : PVPH-N3
4.3 Le Poly (4-vinylphenyl-1-(bicyclo [4.2.0] octa-1(6), 2,4-trien-3-yloxy) hexanoate : PVPO-BCB
4.4 Le Poly (4-vinylphenyl-1-(bicyclo [4.2.0] octa-1(6), 2,4-trien-3-yl)-1, 2,3-triazol-4-yl) butanoate : PVPT-BCB
5 Procédé de fermeture d’interface thermique
5.1 Etude en simulation
5.1.1 Principe
5.1.2 Interprétation des résultats de simulations
5.2 Techniques de dépôt du polymère
5.2.1 Spin-coating
5.2.2 Spray-coating
5.3 Détermination de l’épaisseur de polymère à déposer
5.4 Détermination de l’influence de la pression lors de l’étape de mise en pression
5.5 Condition de l’étape de recuit
5.6 Procédé complet de fermeture d’interface thermique
5.7 Conclusion
6 Conclusion
Chapitre III : Optimisation des Interactions
1 Stratégie
1.1 Le polymère
1.1.1 Spécifications techniques
1.1.2 Détermination du groupement fonctionnel
1.1.3 Synthèse du polymère
1.2 Etude du contact Polymère / Substrat
1.3 Augmentation de la conductivité thermique intrinsèque du Polymère
1.4 Conclusion
2 Optimisation des interactions VACNTs / Polymères
2.1 Etude de la fonction azoture
2.1.1 Etude des conditions de réactivité de la fonction azoture du PVPH-N3
2.2 Etude de la fonction Benzocyclobutane
2.2.1 Etude des conditions de réaction de la fonction benzocyclobutane des polymères PVPO-BCB et PVPT-BCB
2.3 Etude du taux de greffage des fonctions Azotures et Benzocyclobutane vis-à-vis des MWCNTs
2.3.1 Molécules modèles
2.3.2 Fonctionnalisation des MWCNTs
2.3.3 Calcul du taux de greffage
2.4 Influence des fonctions réactives sur les résistances thermiques lors de la fermeture des interfaces
2.5 Conclusion
3 Analyse structurale d’interface thermique
3.1 Principe et objectif
3.2 Etude structurale interne de différentes interfaces thermiques
3.2.1 Influence de la température de recuit sur la structure de l’interface
3.2.2 Analyses thermomécaniques des polymères
3.2.3 Analyse au microscope électronique à transmission
3.2.4 Conclusion
3.3 Etude structurale d’interface complète
3.3.1 Observation de la morphologie des CNTs
3.3.2 Observations de la morphologie des polymères
3.4 Conclusion
4 Optimisation des interactions Polymère / Substrat de cuivre
4.1 Synthèse du thiol fonctionnel : L’hex-5-yne-1-thiol
4.2 Fonctionnalisation de surface
4.3 Vérification de la fonctionnalisation de surface
4.4 Fermeture d’interface thermique
4.5 Conclusion
5 Optimisation de la conductivité thermique du polymère
5.1 Avantage de l’utilisation du graphène
5.2 Etude du taux de charge en nanoparticules de graphène multifeuillets
5.3 Conclusion
6 Conclusion
Conclusion générale
Perspectives
Partie expérimentale
Annexes
Bibliographie

Télécharger le rapport complet