Étude expérimentale et théorique de microcaloducs et technologie silicium

Pandraud Guillaume

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• Publié par: Ebbe
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Extrait

Conclusion

L’utilisation de systèmes de refroidissement basés sur les échanges thermiques par chaleur latente permet de faire face à l’augmentation des densités de flux dans les composants microélectroniques. Dans ce cadre, les microcaloducs, en particulier s’ils sont intégrés au substrat à refroidir, peuvent être une solution efficace. Le silicium étant le matériau le plus répandu en microtechnologie, la réalisation de microcaloducs dans des plaquettes de silicium a été retenue. Elle nécessite un travail sur des domaines très différents, en particulier la thermique, la microfluidique et les technologies du silicium. Une synthèse bibliographique a permis d’appréhender l’état de la recherche dans le domaine des microcaloducs. Les travaux sont dirigés sur deux axes principaux, les études expérimentales et les études théoriques. Pour les premières, les travaux ne sont pas très nombreux, et concernent essentiellement des réseaux de microcaloducs en silicium fermés avec une plaquette de Pyrex permettant d’observer les écoulements. Récemment, des réseaux constitués uniquement de silicium ont été testés, mais les résultats sont très peu nombreux. Le nombre d’études théoriques est beaucoup plus important et plusieurs types de modélisations ont été utilisées. Ces travaux ont mis en évidence l’importance des phénomènes à l’échelle microscopique, mais le manque de connaissance de certains paramètres physiques comme l’angle de contact ou la constante de Hamaker rendent leur utilisation difficile. De plus, le manque de travaux expérimentaux ne permet pas de valider complètement les résultats. L’analyse des résultats de la littérature a conduit au choix d’une réalisation de réseaux de microcaloducs à section triangulaire. Les microcaloducs sont réalisés en plusieurs étapes. La gravure anisotrope humide d’une plaquette de silicium permet de graver des microcanaux triangulaires. Ces canaux sont scellés en assemblant une seconde plaquette de silicium à la première par une technique d’assemblage moléculaire. La taille de tels systèmes rendant nécessaire l’utilisation de capteurs adaptés, des thermistances peuvent être déposées sur le réseau assemblé. Les réseaux de microcaloducs sont alors testés sur un banc d’essais, qui permet à la fois leur remplissage et des essais thermiques.

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Un film de thermocouples peut être utilisé en l’absence de thermistances. Les deux types de capteurs sont positionnés de manière à perturber au minimum les mesures. Les thermistances étant placées plus près de la paroi que les thermocouples, elles permettent de déterminer avec plus de précision les températures de la paroi et la conductivité thermique équivalente du réseau de microcaloducs. Ces calculs sont effectués à l’aide du logiciel ICEPAK. Le modèle numérique tridimensionnel développé calcule les températures dans le système à partir des propriétés des solides utilisés par une méthode des volumes finis. La détermination de la conductivité thermique équivalente du réseau de microcaloducs nécessite la comparaison des températures calculées par le modèle et des températures expérimentales, ainsi qu’une référence dont la conductivité thermique est connue. Un réseau de microcaloducs non chargé ou vide est utilisé à cette fin. Les performances d’un réseau de microcaloducs rempli de méthanol ont été évaluées. Ces microcaloducs présentent trois faces, deux ont une surface de silicium, la troisième est recouverte d’une couche d’oxyde de silicium. La conductivité thermique équivalente du réseau, valant 120 W/m.K pour le réseau vide, augmente jusqu’à un maximum de 170 W/m.K pour un taux de remplissage assez faible, de l’ordre de 10 %. Elle diminue ensuite rapidement; l’amélioration des performances devient négligeable au-delà d’un taux de remplissage de 20 % environ. Pour des taux de remplissage supérieurs à 50 %, le réseau se comporte comme un réseau vide. Ces valeurs montrent que le fonctionnement des microcaloducs est très sensible à la charge, il n’est performant que dans une gamme très étroite, entre 5 et 20 %. Une étude de l’influence de divers paramètres sur les performances des microcaloducs a été effectuée. Elle a montré que la puissance dissipée à l’évaporateur et la température de la source froide ont une influence difficile à évaluer mais qui semble être assez faible. Le revêtement de la paroi a par contre une plus grande importance. Un réseau de microcaloducs dont aucune surface n’est recouverte d’oxyde de silicium, dans les mêmes conditions, a des performances moins bonnes qu’en présence d’oxyde. La conductivité maximale n’est plus que de 150 W/m.K environ. Le réseau de microcaloducs a ensuite été testé avec plusieurs fluides différents. Le pentane présente les mêmes performances que le méthanol, et avec l’éthanol la conductivité thermique équivalente du réseau est de 135 W/m.K, ce qui correspond à une augmentation de 12 % par rapport à un réseau vide, contre 41% pour le méthanol et le pentane. Des réseaux de microcaloducs remplis de FC72 ou d’eau ne présentent aucune amélioration, leur conductivité thermique équivalente est égale à celle d’un réseau vide quelle que soit la charge. Dans le cas de l’eau, ce

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comportement est attribué à la valeur de son angle de contact sur le silicium, qui ne permet pas un pompage capillaire dans les microcanaux. En parallèle à l'étude expérimentale, une étude théorique a été menée pour mieux comprendre le fonctionnement des microcaloducs. Deux modèles ont été développés, un modèle de dimensionnement et un modèle de comportement. Le premier calcule la limite capillaire et la masse optimale d'un microcaloduc, le second détermine la répartition du liquide dans un microcaloduc pour une masse et une puissance à l'évaporateur imposées. Dans les deux cas, plusieurs sous-modèles couplés sont utilisés. Le premier est un modèle hydrodynamique déterminant l'évolution du rayon de courbure, des pressions et des vitesses des écoulements. Les autres sont les modèles thermiques adaptés au condenseur et à l'évaporateur. Dans le second cas, le modèle prend en compte le transfert de chaleur dans la microrégion. Les résultats du modèle ont été présentés pour chacun des différents cas décrits. Pour le fonctionnement optimal à la limite capillaire, une étude paramétrique a permis d'étudier l'influence de l'angle de contact et de la constante d'Hamaker. Les différents fonctionnements non optimaux, présentant des longueurs d'assèchement ou d'engorgement, ont été analysés. Ces résultats ont été comparés avec les résultats expérimentaux. Les comparaisons montrent que les frottements ont été sous-estimés, et qu'une étude plus approfondie est nécessaire. Grâce à cette étude, le fonctionnement des réseaux de microcaloducs est mieux compris. L'évolution de leurs performances en fonction de leur taux de remplissage selon le fluide caloporteur utilisé montre que le fonctionnement des microcaloducs améliore la conductivité des réseaux, mais de manière encore insuffisante. L'amélioration de leurs performances est indispensable; pour cela plusieurs solutions sont envisageables. Il est ainsi nécessaire d'étudier les différentes possibilités de structuration de la paroi pour tous les fluides testés. Des réseaux entièrement recouverts d'oxyde de silicium pourraient avoir de très bonnes performances. Le traitement de la surface, par exemple sa nanostructuration, peut également être utilisé pour modifier l'angle de contact d'un fluide sur la paroi. Si l’angle de contact de l'eau sur le silicium était réduit, la conductivité thermique équivalente pourrait atteindre des valeurs très élevées. La possibilité d'une géométrie différente doit également être poursuivie, par exemple en se basant sur les travaux de Launay (2002), dont les réseaux conduisaient à une conductivité thermique équivalente supérieure de 300 % à celle du silicium. La généralisation de l'utilisation des thermistances doit permettre d'obtenir des résultats plus précis que ceux obtenus avec des thermocouples. Une précision augmentée permettrait une meilleure comparaison des études entre elles, mais

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également des résultats expérimentaux avec les résultats théoriques. En effet, l'amélioration du modèle de manière à ce qu'il soit plus proche des résultats expérimentaux pourrait permettre de déterminer quelles sont les voies les plus intéressantes pour assurer une amélioration des performances des réseaux de microcaloducs.