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En vedette - De nouveaux matériaux sympas pour une électronique tendance

Le secteur de l'électronique devient très «chaud»... Littéralement parlant. Les micropuces et les composants deviennent plus petits et plus puissants, mais ils deviennent également plus chauds. Un projet financé par l'UE utilise la micro- et la nanotechnologie pour développer des matériaux et des processus de manière à éviter la fusion. Les chercheurs développent actuellement toute une gamme de graisses, d'adhésifs, de fibres de polymères et de nanotubes de carbone pour écarter la chaleur, ce qui signifie que les appareils électroniques, des ordinateurs portables aux systèmes GPS, deviendront encore plus petits et plus puissants.

La loi de Moore, l'observation faite par le cofondateur d'Intel, Gordon E. Moore, selon laquelle la puissance de traitement double environ tous les deux ans, s'est vérifiée depuis plus d'un demi-siècle. Nos téléphones portables utilisent maintenant plus de puissance de traitement que ce qu'un ordinateur de bureau ne pouvaient engranger il y a seulement quelques décennies. Cependant, il semblerait que la loi de Moore soit bientôt remise en question, pas parce que l'on ne peut pas produire de puissance de traitement à plus petite échelle (les nouvelles puces devraient résoudre ce problème), mais parce qu'une profusion de composants dans un espace si restreint produit bien trop de chaleur. À défaut de trouver une solution au problème de surchauffe, certains analystes prévoient que le taux d'augmentation de la densité de puissance définie par la loi de Moore commence à ralentir d'ici 2020 et limite sérieusement les progrès à venir en matière de téléphones portables, d'ordinateurs et de toute une gamme d'autres appareils électroniques. «Les questions thermiques constituent la plus grande difficulté pour la tendance vers des appareils de plus en plus petits et puissants, et de nouvelles techniques pour augmenter la densité de puissance telles que les puces embarquées ou le conditionnement 3D des puces ne feront qu'augmenter la quantité de chaleur», explique Afshin Ziaei, un directeur de la recherche à Thales Research & Technology en France. M. Ziaei a coordonné le projet Nanopack («Nano packaging technology for interconnect and heat dissipation»), lequel a reçu plus de 7 millions d'euros de la Commission européenne. L'équipe de gestion de projet à Thales Research & Technology a travaillé avec une autre équipe composée de 13 entreprises, universités et instituts de recherche afin de faire progresser la situation actuelle en gestion thermique et interconnexions électriques. Il existe plusieurs approches pour aborder le problème thermique, dont la construction de systèmes de refroidissement plus efficaces par exemple, ou le développement de composants qui produisent moins de chaleur en premier lieu. Mais probablement la solution la plus efficace et pratique qui remportera le plus de gain, concerne les interfaces thermiques (l'endroit où une puce se connecte et distribue de la chaleur dans son boîtier et du boîtier au système de refroidissement). «Ces deux interfaces thermiques entre le cœur de la puce et le boîtier, et entre le boîtier et le système de refroidissement, représentent environ 40 à 50% de la résistance thermique. Si l'on peut réduire la résistance, il sera possible de proportionnellement augmenter l'efficacité du système de refroidissement», explique M. Ziaei. Ceci signifie que les puces peuvent devenir plus chaudes et donc permettre une plus grande puissance de traitement, ou elles peuvent fonctionner à la même température tout en étant plus fiables. La solution pour réduire la résistance thermique au niveau des interfaces réside dans des «matériaux d'interface thermique» (TIM) associés à des conceptions qui permettent aux puces et à leur boîtier de dissiper la chaleur plus rapidement. Grâce aux travaux menés en Europe, de nouveaux TIM et processus pourraient bientôt être commercialisés. À l'aide de la micro- et nanotechnologie, l'équipe du projet a développé une nouvelle gamme de graisses, d'adhésifs, de matériaux, de structures et de processus conducteurs thermiquement pour l'interfaçage thermique des puces avec leur boîtier et avec les systèmes de refroidissement. Proche du marché, et prometteur pour l'avenir «Certains systèmes sont presque prêts et pourraient être commercialisés très prochainement, d'autres sont encore en phase de recherche et de développement mais semblent prometteurs sur le long terme», déclare M. Ziaei. Parmi les matériaux les plus matures développés par les partenaires de projet, on trouve des versions avancées de la graisse et de l'adhésif thermiques traditionnels (semblable aux substances utilisés pour connecter un processeur d'ordinateur au puits de chaleur dans un ordinateur standard). Les solutions de Nanopack de graisse et d'adhésif, renforcées par des systèmes de micro-remplissage spécifiques, ont une conductivité thermique d'environ 10 watts par mètre carré degré Kelvin (W/mK), ce qui représente le taux de transfert de chaleur dans les watts via un mètre carré d'une structure divisé par la différence en température dans toute la structure. Dans le cas de la graisse, développée par le partenaire de projet autrichien Electrovac à partir de microsphères métalliques et de nanofibres de carbone graphitisées dans une matrice en silicone, la conductivité est en accord avec la situation actuelle. L'adhésif, développé par des chercheurs à l'université de technologie Chalmers en Suède, dépasse largement cela. «La plupart des adhésifs ont un transfert de chaleur d'environ 4W/mK. À 10 W/mK, cet adhésif représente une amélioration majeure», fait remarquer M. Ziaei. «Il découle de l'incorporation de pétales d'argent et de microsphères d'argent dans une matrice bi-époxydique à haute résistance à la chaleur.» Chalmers a établi une entreprise spin-off en Suède, Smart High Tech (SHT), pour commercialiser l'adhésif ainsi qu'un autre matériau développé dans Nanopack, un réseau de fibres polymères infiltrées dans un alliage de métal. Ce matériau unique qui ressemble une feuille d'aluminium très fine et baptisée SmarTIM, a une performance thermique extrêmement efficace d'entre 18W/mK et 24W/mK en fonction de l'alliage utilisé. «Le réseau de fibres polymères crée une structure solide alors que l'alliage assure une conductivité efficace», déclare M. Ziaei. Le partenaire de Nanopack IBM, parallèlement, a renforcé une technologie existante appelé HNC (Hierarchical nested channel), qui utilise les microstructures aux surfaces qui connectent les interfaces thermiques pour améliorer la conductivité et réduire l'épaisseur de la couche thermique. Les autres technologies développées dans le projet se trouvent plus loin de la phase commerciale, mais une fois qu'elles sont suffisamment matures, elles pourraient avoir un impact majeur sur la gestion thermique. L'une d'elles, développée par le Fraunhofer IZM, est une nano-éponge en or dans laquelle les cavités mesurent seulement une dizaine de nanomètres de diamètre. Une autre, développée par Thales Research & Technology, utilise les nanotubes de carbone (des structures cylindriques faites d'allotropes de carbone avec un diamètre d'environ un nanomètre, environ 100 000 fois plus petit qu'un cheveu humain). Elles sont orientées verticalement dans une solution de manière à ce que la chaleur soit transférée vers le haut par le centre du tube. «Ces technologies sont toutes très prometteuses pour l'avenir. Les nanotubes de carbone, par exemple, ont d'excellentes priorités thermiques. La conductivité d'un seul tube est proche de 1000W/mK, et l'objectif serait de produire des matériaux qui exploitent cette caractéristique et peuvent conduire près de 100W/mK. Cependant, si l'on pouvait atteindre 50W/mK, ce serait tout de même une véritable révolution», explique M. Ziaei. En plus des travaux sur les matériaux et les processus, l'équipe de Nanopack a également développé des outils de caractérisation de pointe pour mesurer et tester la performance thermique du matériau. Certains des partenaires participeront maintenant au projet «Smart Power» financé par l'UE, qui élargira la portée de leurs travaux sur différentes puces et conception de boîtiers, et renforcera la recherche sur les processus et les matériaux réalisée dans le cadre de Nanopack. Leurs efforts promettent de conserver la précision de la loi de Moore pour encore quelques décennies. Nanopack a reçu un financement au titre du septième programme-cadre de la recherche (7e PC), sous-programme «Next-generation nanoelectronics components and electronics integration». Liens utiles: - Projet «Nano packaging technology for interconnect and heat dissipation» - Archives des données du projet Nanopack sur CORDIS Articles connexes: - Une meilleure gestion thermique qui promet une électronique plus économique, plus verte et dégageant moins de chaleur - Designer optoelectronics – quantum mechanics for new materials - Nanospheres stretch limits of hard disk storage - Pushing the limits of chip miniaturisation - EUROPRACTICE, une aubaine pour les chercheurs en nanotechnologie