Les caméras FLIR dévoilent les caractéristiques thermiques des dispositifs micro-électroniques

Lors du développement des dispositifs électroniques et micro-électroniques, les informations thermiques transitoires sont essentielles pour valider le bon fonctionnement d’un appareil ou de l’un de ses composants. De plus, la performance des dispositifs micro-électroniques de prochaine génération dépendra d'une meilleure compréhension des propriétés thermophysiques des différents matériaux utilisés dans la microélectronique. À l'université du Texas à Arlington, l'équipe du Dr. Ankur Jain, qui dirige le Laboratoire de thermophysique à microéchelle, étudie un large éventail de sujets relatifs au transport thermique à microéchelle. Ce laboratoire utilise différents types d'équipement et instruments modernes, notamment les caméras thermiques de FLIR Systems.  

Depuis plusieurs décennies, la miniaturisation est un développement clé du secteur de la microélectronique . Les petits appareils peuvent offrir de meilleures vitesses opérationnelles et des systèmes plus compacts. Les avancées dans le domaine de la  nanotechnologie et dans le traitement des couches minces se sont développées en un large éventail de domaines technologiques, notamment les cellules photovoltaïques, les matériaux thermoélectriques, et les systèmes microélectromécaniques (MEMS). Les propriétés thermiques de ces matériaux et de ces appareils sont d'une importance critique pour le développement continu de ce genre de systèmes d'ingénierie. Pourtant, un certain nombre de problèmes relatifs au transport thermique existent dans ces systèmes. Afin de répondre efficacement à ces problèmes, il est primordial de bien comprendre  la nature du transport thermique dans les matériaux à microéchelle.

Dissipation de la chaleur dans les circuits intégrés 3D

Le Dr. Ankur Jain dirige le Laboratoire de thermophysique à microéchelle, où lui et ses étudiants mènent des recherches sur le transport thermique à microéchelle, les systèmes de conversion d'énergie, la gestion thermique des semi-conducteurs, le transfert de la biomasse et autres sujets associés. La dissipation thermique dans les circuits intégrés (IC) en trois dimensions est un défi technologique important et a ralenti l'adoption de cette technologie  malgré une énorme quantité de recherches au cours de la dernière, voire des deux dernières décennies. Par conséquent, les chercheurs du Laboratoire de thermophysique à microéchelle effectuent des expériences pour mesurer les caractéristiques thermiques principales des circuits intégrés 3D et développent des modèles physiques pour comprendre le transport thermique dans un circuit intégré 3D.

Mesure des champs de température

Les matériaux à couche mince sont une caractéristique essentielle de la microélectronique depuis ses débuts, et sous-tendent un grand nombre de fonctions sur la puce. Afin de comprendre précisément le comportement thermique des couches minces, nous devons pouvoir associer les propriétés thermiques à la microstructure et à la morphologie associées au processus de dépôt. Ainsi, il devrait être possible d'étudier des propriétés comme la conductivité, les modules de compression, l'épaisseur et les résistances aux limites thermiques.

Lors d'un test traditionnel, des conduites de microchauffage sur un substrat sont reliées à une source d'alimentation. L'appareil est chauffé par chauffage ohmique. Ainsi, le champ de température du substrat évolue en fonction du temps.

 « Nous nous intéressons particulièrement à l'évolution dans le temps d'un champ de température sur un micro-composant, » explique le Dr. Ankur Jain. « En mesurant les propriétés thermiques du substrat, nous essayons de comprendre la nature  fondamentale du transfert de chaleur à microéchelle. » Dans les composants électroniques, la chaleur est souvent un effet secondaire indésirable de la fonction principale de l'appareil. C'est pourquoi il est important de totalement maîtriser le phénomène thermique transitoire dans les couches minces. « En apprenant comme la chaleur se déplace dans un microsystème, nous pouvons réduire suffisamment les problèmes de surchauffe. Cela nous aide à améliorer les microsystèmes et à faire des choix plus éclairés en termes de matériaux. Par exemple, nous avons effectué une étude pour comparer les propriétés du transport thermique de différents types de couches minces. »

« Lors d'un test traditionnel, nous relions des conduites de microchauffage sur un substrat à une source d'alimentation. En fournissant une très petite quantité de courant, nous chauffons l'appareil par chauffage ohmique. Ainsi, le champ de température du substrat évolue en fonction du temps. »

Ankur Jain. « En mesurant les propriétés thermiques du substrat d'un micro-composant, nous essayons de comprendre la nature fondamentale du transfert de chaleur à microéchelle. »

Caméras thermiques

Pour mesurer la température des micro-composants électroniques, l'équipe du Dr. Ankur Jain a utilisé de nombreuses techniques, notamment les thermocouples. Un des défis principaux avec cette technique est que les thermocouples mesurent uniquement les valeurs de température à un point unique. Pour une image visuelle plus complète du champ de température, le Dr. Jain a décidé d'utiliser les caméras thermiques de FLIR. La caméra thermique FLIR A6703sc a été conçue pour les inspections électroniques, la thermographie médicale, la surveillance en fabrication et les essais non destructifs. Cette caméra est parfaite pour les événements thermiques à grande vitesse et les cibles à déplacement rapide. Les temps d'exposition de courte durée permettent aux utilisateurs de figer les mouvements et d'obtenir des mesures thermiques précises. Les images produites par la caméra peuvent être fenêtrées pour augmenter la fréquence d'acquisition à 480 images par seconde et pour analyser avec précision les événements thermiques à grande vitesse, afin de ne manquer aucune donnée essentielle durant les essais. 

« Les phénomènes thermiques dans les appareils qui nous intéressent se produisent très rapidement, et nous avons besoin d'informations de champ complètes contrairement aux mesures de points uniques, » explique le Dr. Ankur Jain. « La FLIR A6703sc nous a aidés pendant nos expériences, car elle propose des détails extrêmement fins de l'appareil mesuré. »

Logiciel d'analyse thermique pour les applications dédiées à la recherche et à la science

L'équipe du Dr. Ankur Jain utilise également le logiciel d'analyse ResearchIR de FLIR pour les applications  dédiées à la recherche et à la science. ResearchIR est un package logiciel d'analyse thermique performant et simple à utiliser pour piloter et contrôler le système de la caméra, enregistrer les données à grande vitesse, analyser les données en temps réel ou en relecture et créer des rapports. « Le logiciel ResearchIR de FLIR s'est avéré très utile dans notre équipe, » explique le Dr. Ankur Jain. « En particulier, sa capacité à enregistrer nos données thermiques puis à les partager sur plusieurs PC pour des analyses plus approfondies nous a été très utile. ResearchIR a considérablement amélioré la collaboration au sein de notre équipe ainsi qu'entre notre équipe et d'autres équipes. »

Ankur Jain : « Nous nous intéressons particulièrement à l'évolution dans le temps d'un champ de température sur un micro-composant. « En mesurant les propriétés thermiques du substrat d'un micro-composant, nous essayons de comprendre la nature fondamentale du transfert de chaleur à micro-échelle. »

Ankur Jain : Le logiciel ResearchIR a considérablement amélioré la collaboration au sein de notre équipe ainsi qu'entre notre équipe et d'autres équipes. »