Interposeur 3D pour le management thermique – THERMA3D

Le projet THERMA3D a pour but de développer un nouveau concept d’interposeur pour le management thermique de composants microélectroniques en architecture 3D.

Les procédés d’intégration hétérogène se heurtent au ‘mur de la chaleur’. L’innovation radicale proposée vise les composants présentant des profils d’utilisation avec des pics de puissance.
Elle présente la double fonction d’assurer une faible résistance thermique en régime continu et d’absorber les pics de thermique en intégrant un nano-composite à base de structures de nanotubes de carbones (NTC) et de matériaux à changement de phase (MCP) dans une cavité miniaturisée.

Historiquement, l’introduction des MCP pour le management thermique des composants électroniques a été freinée par le fait que ces matériaux présentent une résistance thermique élevée.

L’interposeur développé dans THERMA3D se propose de lever ce verrou par la mise en œuvre d’une structure conductrice en « nid d’abeille » à base de NTCs dont les cavités seront remplies d’un Matériau à Changement de phase (MCP) :
- La conductivité thermique exceptionnelle des NTC assurera une résistance thermique minimun aux flux de chaleur en régime continu entre les 2 faces de l’interposeur.
- La très forte conductivité thermique des NTC permettra aussi de minimiser le volume des murs de NTC et maximiser ainsi le volume de MCP pour augmenter la quantité de chaleur stockée et donc sa capacité d’absorption des pics thermiques transitoires.
L’architecture proposée sera compatible avec la fabrication collective en production de masse avec des procédés de nano/microfabrication à partir de substrats de silicium.
De nouvelles briques de mise en œuvre des NTC et des matériaux MCP seront développées, ainsi d’une technique de scellement à basse température compatible avec l’intégration d’un MCP.

Pour atteindre ces objectifs, le consortium regroupe STMicroelectronics, acteur industriel majeur de l’intégration hétérogène, avec KAPLAN ENERGY, jeune société spécialiste des MCP, ainsi que trois organismes de recherche positionnés sur des domaines complémentaires : le CEA (nanomatériaux), l’IEMN (microtechnologies) et le CETHIL (thermique).

Les travaux expérimentaux et théoriques ( simulation ) seront menés en parallèle de façon à remonter aux paramètres thermiques aux échelles macro et nanométrique (structures, densités des NTC, organisation des mailles…). Ces travaux pluridisciplinaires s’appuieront sur de nombreuses interactions entre les partenaires tant en matière de transferts de dispositifs (véhicules de tests / procédés NTC et MCP / caractérisations) que d’informations (relations modélisation / développement technologique).
Deux générations successives d’interposeurs sont prévues avant de conclure par une étude de leur portabilité dans les architectures industrielles de ST.