Refroidissement intégré à un transistor pour une puce plus puissante

Des scientifiques de l’EPFL ont développé un transistor avec un système de refroidissement électronique inclus dans la même puce. Publiée dans Nature, cette recherche devrait permettre d’économiser l’énergie et de produire des composants toujours plus miniaturisés.

La gestion de la chaleur dans l’électronique est un énorme problème. Notamment à cause de la recherche constante pour réduire la taille et pour assembler un maximum de transistors dans une même puce. Toute la difficulté est de savoir comment gérer efficacement des flux de chaleur aussi élevés.

Habituellement, les technologies électroniques, conçues par des ingénieurs en électricité, et les systèmes de refroidissement, créés par des ingénieurs en mécanique, sont réalisés indépendamment et séparément. Aujourd’hui, des scientifiques de l’EPFL apportent une petite révolution dans le domaine en combinant les deux approches, développant une technologie microfluidique de refroidissement intégré à l’électronique qui peut gérer efficacement les grands flux de chaleur générés par les transistors, permettant encore plus de miniaturisation et l’intégration de convertisseurs de puissance, avec plusieurs appareils à haute tension, dans une seule puce. Leur recherche est publiée dans Nature.

Le meilleur des deux disciplines

Dans ce projet financé par le Conseil européen de la recherche (ERC), le professeur Elison Matioli, son assistant-doctorant Remco Van Erp et leur équipe du Laboratoire de dispositifs semiconducteurs de puissance (POWERLAB) de l’EPFL avaient pour objectif d’opérer un véritable changement de mentalité dans la manière d’imaginer nos appareils électroniques. Ils ont conçu l’électronique et le refroidissement ensemble, dès le début, en visant à extraire la chaleur très près des régions qui chauffent le plus dans l’appareil.« Nous voulions combiner nos compétences en ingénierie électrique et mécanique pour créer un nouveau dispositif », révèle Remco Van Erp.

Les scientifiques souhaitaient résoudre le problème de refroidissement des dispositifs électroniques, en particulier ceux des transistors. « La gestion thermique est l’un des principaux défis de l’avenir de l’électronique, affirme Elison Matioli. L’impact environnemental étant de plus en plus important, des technologies de refroidissement innovantes s’avèrent nécessaires pour traiter efficacement ces flux de chaleur élevés de manière durable et rentable. »

Canaux microfluidiques et points chauds

Leur technologie est basée sur l’intégration de canaux microfluidiques à l’intérieur de la puce semi-conductrice, en même temps que l’électronique, de sorte qu’un liquide de refroidissement circule à l’intérieur de cette puce. « Nous avons placé des canaux microfluidiques très proches des points chauds du transistor, avec un processus de fabrication simple et intégré. Cela permet d’extraire la chaleur de façon très précise. On ne la laisse pas se propager dans l’appareil », explique Elison Matioli. Le liquide de refroidissement est de l’eau déionisée, non-conductrice d’électricité. « Nous avons choisi ce liquide pour nos expériences, mais nous sommes déjà en train d’en tester d’autres, plus performants, afin d’augmenter la quantité de chaleur à retirer du transistor », révèle l’assistant-doctorant.

Réduire la consommation d’énergie

« La technologie de refroidissement proposée permet de poursuivre la miniaturisation de l’électronique, et pourrait réduire considérablement la consommation d’énergie dans le monde entier. De plus, en supprimant le besoin de grands dissipateurs thermiques externes, nous démontrons comment cette approche offre la possibilité de réaliser des convertisseurs de puissance ultra-compacts intégrés sur une seule puce, soutenant ainsi la tendance à l’électrification de notre société », affirme Elison Matioli. Les scientifiques explorent aujourd’hui d’autres domaines dans lesquels la chaleur pose différentes difficultés, notamment pour les lasers et dispositifs de communication.

Financement

This work was supported in part by the European Research Council (ERC Starting Grant) under the European Union’s H2020 program (ERC grant agreement number 679425), in part by the Swiss Office of Energy (grant number SI501568-01) and in part by the Swiss National Science Foundation (Assistant Professor Energy grant number PYAPP2_166901). The authors thank the staff at the Center of Micro and Nano Technology (CMi) for support and advice on the fabrication processes a well as V. Navikas for his graphical assistance to the paper.

Références
DOI : 10.1038/s41586-020-2666-1