Ce travail traite des aspects thermiques dans les composants électroniques, en particulier ceux de composants qui peuvent être thermiquement assimilés à des sources de chaleur localisées sur des milieux solides diffusifs. Dans une première partie, un modèle analytique général d’impédance thermique est développé. Il permet de calculer les températures de jonction de composants électroniques multidoigts sur des supports multicouches. Le modèle est basé sur la résolution tridimensionnelle de l’équation de la chaleur en régime fréquentiel par la méthode des transformées intégrales. Il a été utilisé pour évaluer l’influence des différents paramètres géométriques et structuraux du problème physique. Sa simplicité et la rapidité des temps de calculs en font un outil parfaitement adapté à la simulation des circuits électroniques.La seconde partie de ce travail est consacrée à la reconstitution spatiotemporelle des sources de chaleur par méthode inverse. Pour atteindre l’objectif, la méthode numérique des volumes finis a été programmée, afin d’exprimer sous la forme d’une représentation d’état, le problème en trois dimensions et en régime transitoire du phénomène de transfert de chaleur par conduction. La densité de flux a été discrétisée dans l’espace et le temps. Elle est estimée par la pseudo-inversion de la représentation d’état. Des tests numériques et un dispositif expérimental ont permis de valider la méthode. / This work deals with thermal aspects in electronic components. In particular those of devices that can be assimilated to heat sources located on top of solid mediums. First a general analytical model of thermal impedance is developed. It allows to calculate the junction temperatures of multifingers electronic components on top of a stack of different materials. The model is based on the resolution of the three-dimensional heat transfer equation in AC regime by the method of the integral transforms. It is used to evaluate the influence of the geometrical and structural parameters of the physical problem. Thanks to its simplicity and the low time consuming tasks the model is adapted to an implementation in Simulation Programs with Integrated Circuits Emphasis (SPICE). Afterwards the problem of heat sources reconstruction is treated by inverse method. For this purpose the numerical method of finite volumes has been used to express the three-dimensional problem of heat conduction in transient regime by a matrix equation. In this equation the heat flux is made discrete in space and in time. It is estimated by the use of a peudo–inverse. Numerical tests and experimental measurements validated the method.

Ce travail porte sur la conception et la réalisation de photodiodes UTC en GaInAs/InP pour la détection de fortes puissances optiques jusqu'à 20 GHz. La solution choisie est une photodiode à éclairage par la face arrière compatible avec un report flip-chip sur des lignes hyperfréquences. La première partie de cette étude consacrée à l'optimisation simultanée de la bande passante et de la responsivité a mis en avant l'importance de la conception de l'absorbant et du collecteur. En particulier, l'introduction d'un champ électrique statique dans l'absorbant grâce à un graduel de dopage est essentielle pour atteindre simultanément une responsivité élevée (0,8 A/W à l,55 µm) et une large bande passante = 20 GHz sous fort photocourant). Dans un second temps, l'analyse des mécanismes de saturation a permis de dégager les principaux axes d'optimisation sous forte puissance: la réduction de la dépolarisation de la jonction, l'atténuation des effets de charge d'espace et l'amélioration de la dissipation thermique. Ainsi, une nouvelle structure de collecteur à dopage non uniforme est proposée. Elle permet de repousser les limites de saturation de la photodiode et permet d'atteindre des courants = 100 mA à 20 GHz, au meilleur niveau de l'état de l'art. Enfin, une étude théorique et expérimentale de la linéarité des photodiodes UTC de puissance est présentée. Les photodiodes développées montrent une excellente linéarité atteignant des points d'interception d'ordre 3 (IP3) de 35 dBm à 20 GHz faisant de ces composants de très bons candidats pour les liaisons optiques/hyperfréquences à large dynamique. / This work focuses on the design and fabrication of GaInAs/InP Uni-Traveling-Carrier (UTC) Photodiodes (PDs) for high optical power detection up to 20 GHz. The selected solution consists of a back-side ilIuminated PD compatible with flip-chip mounting on microwave transmission lines. The first section of this study is dedicated to the optimisation of both bandwidth and responsivity, simultaneously. It demonstrates how important the design of absorption and collection layers is. ln particular, the introduction of a static electric field in the absorption layer, owing to a graduaI doping, is essential to achieve, simultaneously, a high responsivity (0.8 A/W at 1.55 µm) and a large bandwidth (= 20 GHz under high photocurrent). Secondly, the saturation mechanisms in a UTC structure are analysed. Reducing the junction bias variation, mitigating the space charge effects and enhancing the heat power dissipation are demonstrated to be the main axes for design optimization under high power. Therefore, a new design of a non-uniformly doped collector is proposed. It reduces saturation limitations and leads to state-of-the-art saturation current =100 mA at 20 GHz. FinaIly, a theoretical and experimental study of high power UTC-PDs linearity is presented. The developed PDs show a high linearity and achieve third order intercept points (IP3) op to 35 dBm at 20 GHz, which makes them good candidates for analog photonic links that need a high dynamic range.

Cette étude concerne l’étude des écoulements diphasiques dans le cadre du refroidissement des composants électroniques en systèmes embarqués. L’étude bibliographique a permis de sélectionner le refroidissement par spray comme technique prometteuse pour dissiper des flux de chaleur au-delà de 100 W/cm2. Une étude hydraulique, utilisant de l’eau et du HFE7100 comme fluides de refroidissement, nous a permis de valider des modèles permettant de déterminer la taille et la vitesse de gouttes provenant d’une sélection de buses de spray. Pour la partie thermique, nous avons conçu une section d’essais (évaporateur) permettant de pulvériser en spray afin d’étudier le refroidissement avec une boucle fermée diphasique.Vu la complexité du système de spray influencé par plusieurs paramètres et phénomènes physiques, nous avons isolé le phénomène d’ébullition nucléée dans une configuration en ébullition nucléée avec un élément chauffant identique à celui employé avec le refroidissement par spray. Pour améliorer les échanges thermiques, 6 surfaces avec différentes structurations (macroscopiques, microscopiques et hybrides) ont été sélectionnées. Les résultats de tests avec ces surfaces ont été comparés avec une surface lisse tant pour le refroidissement par spray que pour le refroidissement en vase.D’une part, avec un refroidissement par spray, les surfaces macrostructurées nous ont permis de dissiper des puissances thermiques de l’ordre de 140 W/cm2 avec d’importants coefficients de transfert thermique. D’autre part, avec un système de refroidissement par immersion, une des surfaces hybrides a montré être la plus performante.Les résultats reportés dans cette thèse ont permis d’approfondir la compréhension des mécanismes de transfert de chaleur en refroidissement par spray. De même, ils ouvrent la voie à l’étude des améliorations et optimisations du système permettant de l’employer en systèmes embarqués. / This dissertation concerns the study of two-phase flow cooling of electronic components in embedded systems. From a literature review, Spray Cooling was selected as a promising technique for dissipating heat fluxes above 100 W/cm2. A hydraulic study, using water and HFE7100 as coolants, has validate models for determining the size and speed of drops from a selection of spray nozzles. Regarding the thermal study, we have designed a test section (evaporator) to study cooling in a two-phase closed loop system.Given the complexity of Spray Cooling systems, which are influenced by several parameters and involve several physical phenomena, the nucleate boiling phenomenon has been isolated in a Pool Boling system with an identical heating element as Spray Cooling experiment. To improve heat exchange, 6 surfaces with different structures (macroscopic, microscopic and hybrid) were selected. The boiling test results with these surfaces have been compared with a smooth surface for both Spray Cooling and Pool Boiling.On one hand, in Spray Cooling tests, the macrostructured surfaces dissipated heat flux up to 140 W/cm2 with significant heat transfer coefficients. On the other hand, in the Pool Boling system, one of the hybrid surfaces has shown to be the most efficient.The results reported in this dissertation contributes on the understanding of the boiling mechanisms of heat transfer in Spray Cooling. Likewise, they open the way to the study of improvements and optimizations of the system for its use in embedded systems.

Ce travail s'intéresse à l'étude des propriétés de transport d'un système interférentiel fabriqué à l'interface d'une hétérostructure semiconductrice AlGaAs/GaAs à modulation de dopage. Il s'agit d'un interféromètre électronique en forme d'anneau, dont le principe de base repose sur l'effet Aharonov-Bohm (AB), transposé à la physique du solide. Cet effet est directement dû à l'influence d'un champ électromagnétique sur la phase de la fonction d'onde d'un électron. Nos mesures ont été réalisées sur des échantillons à forte mobilité, pour lesquels la longueur de cohérence de phase Lphi est grande devant les dimensions du système, et dans le régime de transport balistique. Tout d'abord, notre étude expérimentale a porté sur la dépendance en température des oscillations AB. Nous avons montré que celle-ci peut être comprise en termes de probabilité de transmission à travers les états propres de l'anneau. Un modèle numérique basé dur le faible couplage entre l'anneau et les réservoirs d'électrons permet de retrouver les données expérimentales, à condition toutefois de tenir compte de l'énergie de charge due aux répulsions Coulombiennes. Les résultats expérimentaux suivants renforcent encore cette hypothèse, en s'inscrivant dans la cohérence du raisonnement. Ainsi, lorsque la tension de grille, qui recouvre la totalité de la structure, à savoir les deux bras de l'anneau, varie de manière continue, la phase des oscillations de la magnétorésistance change brusquement de 0 à pi, avec l'apparition d'oscillations intermédiaires de fréquence double, c'est à dire de période apparente h/2e. Les mêmes effets sont observés lorsque l'on applique un courant de polarisation. Ces mesures suggèrent que les propriétés électroniques de l'anneau sont le reflet direct du spectre, et que nous avons donc réalisé la spectroscopie d'un anneau mésoscopique.

Les travaux de cette thèse portent sur le refroidissement descomposants électroniques de puissance par métal liquide. Les efforts se sontconcentrés plus particulièrement autour de deux fonctions : la pompeélectromagnétique servant à mettre le fluide en mouvement et le refroidisseur àminicanaux situé sous la source de dissipation.Le mémoire de thèse se structure en quatre chapitres équivalents. Dans lepremier, l'apport des métaux liquides pour le refroidissement des composantsactifs de puissance est démontré. Dans un deuxième temps, l'étude théorique etexpérimentale d'une pompe électromagnétique à conduction est effectuée. Lesystème de refroidissement est plus particulièrement abordé dans le troisièmechapitre. Enfin, des réflexions sur la mise en oeuvre des refroidisseurs à métauxliquides en électronique de puissance sont discutées dans la dernière partie.Grâce à elles, nous voyons que le champ d'application de ces travaux favorisel'émergence de solutions innovantes pour la gestion thermique des composantsélectronique de puissance.

Résumé : voir fichier attaché

Le travail de recherche présenté dans ce manuscrit contribue à une étude générale de la susceptibilité électromagnétique (EM) d'un transistor MOS (Metal Oxide Semiconductor) dans une gamme de fréquences allant de 10 MHz à 1 GHz. Ce composant est destiné à un usage général pour des applications analogiques et numériques. Le but principal de ce travail est d'apporter une compréhension fine des mécanismes physiques mis en jeu au sein du composant lorsque ce dernier est soumis à une agression EM injectée en mode conduit au niveau de sa grille. Notre étude porte sur l'élaboration d'un modèle physique, essentiellement basé sur les variations de charges au sein du composant électronique. Cette approche permet à la fois de comprendre le fonctionnement nominal du transistor et la modification de son comportement lors d'un dysfonctionnement. En effet, la compréhension des mécanismes physiques mis en jeu est la base de la compréhension de la susceptibilité EM. Pour mettre en œuvre ce type d'approche, nous avons choisi d'étudier un type de susceptibilité correspondant à la modification de son point de fonctionnement sous agression EM. Cette modification du point de fonctionnement peut induire un dysfonctionnement du circuit dans lequel est implanté le transistor. Le phénomène physique à l'origine duquel les signaux parasites EM modifient le point de fonctionnement d'un composant électronique est le phénomène de redressement. Ce phénomène apparaît lorsqu'une distorsion est créée au sein du composant. C'est aussi pourquoi les non-linéarités du dispositif sont directement responsables de son observation. Ainsi, pour comprendre finement et physiquement l'effet induit par une agression EM, il est nécessaire de mettre en place une méthode d'étude. Celle-ci est basée sur une mesure des formes d'onde des courants à tous les accès du transistor. En effet, la visualisation de ces courants renseigne sur l'évolution des charges au sein de la structure. De plus, une telle mesure donne accès à une large palette d'observables (valeurs moyennes des courants, distorsions des courants, valeurs crêtes des courants, etc..). Dans un premier temps, les différentes mesures des formes d'onde des courants ont été réalisées lorsqu'une impulsion de tension était appliquée sur la grille du composant avec des temps de montée variables et choisis par rapport au temps de réponse du transistor. Cela nous a permis d'approfondir la compréhension du fonctionnement transitoire fort signal du MOSFET. Dans un second temps, nous avons mesuré les courants lors de l'application d'un signal EM à la grille du composant. En support à ces mesures nous avons utilisé deux outils de calcul : analytique et numérique. La méthode analytique permet la prédiction et l'identification des grandeurs du composant mises en jeu dans le mécanisme de la modification du comportement du transistor. La méthode numérique par simulation électrique permet, quant à elle, de prédire les effets de l'agression EM. Une étape de caractérisation statique et dynamique du composant a également été nécessaire pour enrichir la compréhension des phénomènes observés et fournir les entrées au modèle. / The research work presented here contributes to an overall study of the electromagnetic (EM) susceptibility of Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET's), in a frequency range from 10 MHz to 1 GHz. This device is used for general purpose: analog and digital applications. The main aim of this study is to provide a detailed understanding of the physical mechanisms involved in the device when the Radio-Frequency (RF) interference is superimposed on the gate terminal. Our study focuses on the development of a physical model, based essentially on the charge variations within the electronic device. This approach allows to understand its behavior with and without the RF interference. Indeed, the knowledge of the involved physical mechanisms is the basic understanding of EM susceptibility. When RF interference is superimposed on the MOSFET terminals, various susceptibility effects take place depending on RF power level, frequency and the transistor operation region. Due to the nonlinearity of the MOS current-voltage characteristics, RF excitations cause distorted drain current waveform which leads to a bias point shift. This modification of the average drain current is called rectification effect. So we developed a method to clearly understand the effect induced by the EM interference. This method is based on the measurement of the currents waveforms to all of the transistor access. In fact, these currents waveforms measurements give us information on the charge variations within the electronic device. Moreover, such a measurement provides access to a wide range of current information (average values, distortion, peak values, etc.). Initially, the different currents waveforms measurements were made when a voltage ramp was applied to the device gate with variable rise time in respect to the transistor response time. This allowed us to understand the large signal transient response of the MOSFET. Secondly, we measured the currents waveforms when an EM interference was injected to the gate terminal. In support of these measurements we used two computation tools: analytical and numerical. The analytical method allows prediction and identification of the quantities of the device involved in the modification of transistor's behavior. The numerical method allows electrical simulation to predict the effects of EM aggression. A static and dynamic characterization of the component was also necessary to understand the observed phenomenon and provide data to the electrical model.

Le travail présenté dans ce manuscrit concerne l'étude et la réalisation de diodes et de transistors à couches actives polymères. Le polymère utilisé pour cette étude est un poly(3-octylthiophène) régio-régulier synthétisé par M. Delabouglise du Laboratoire d'électrochimie et de physico-chimie des matériaux et des interfaces (LEPMI). Cette étude constitue le premier travail dans le domaine de l'électronique organique au sein du LAAS. <br />Le premier chapitre constitue une revue assez exhaustive des travaux de la littérature dans le domaine. Nous avons notamment détaillé les principes de conduction dans les matériaux organiques en rappelant l'importance des orbitales moléculaires dans le déplacement des charges. Cet état de l'art a aussi consisté à faire un inventaire des principaux matériaux organiques référencés dans la littérature et de comparer leurs performances. <br />La suite du manuscrit fait état de technologie de mise en œuvre et la caractérisation des diodes à base de P3OT. Le 2ème chapitre décrit donc les différentes étapes technologiques permettant d'aboutir aux diodes. Elles sont basées sur le principe d'une mono-couche de P3OT prise en sandwich entre une anode en ITO et une cathode métallique. Nous avons identifié à partir des caractéristiques électriques des diodes réalisées les modèles les plus adaptés à la description de leur comportement. Une étude capacitive a notamment permit de révéler la présence d'une charge d'espace à l'interface métal/polymère.<br /> Le 3ème chapitre aborde la réalisation de transistors de type TFT à base de P3OT. Nous avons extrait de la caractérisation de ces composants une mobilité par effet de champ de 4,1.10-5 cm².V-1.s-1. Nous avons, aussi, mis en exergue l'augmentation de la mobilité en fonction de la tension de grille. La présence importante de pièges à l'interface SiO2/P3OT ou dans le volume du matériau a été mise en évidence. Le vieillissement de nos transistors a aussi été abordé, notamment lors de leur exposition à l'oxygène.

Le Génie Electrique, en général, et l'électronique de puissance, en particulier, prend une part de plus en plus importante dans les systèmes embarqués. La fiabilité des systèmes électroniques dépend fortement de la gestion de leur température. Les systèmes de refroidissement actuels sont lourds, volumineux, et consommateurs d'énergie, ce qui est en désaccord avec les systèmes embarqués. Il est donc nécessaire de chercher de nouveaux systèmes, plus fiables, plus légers, et moins énergivores. Le sujet de cette thèse porte sur l'utilisation des ferrofluides, suspensions colloïdales magnétiques, à basse température de Curie, dont les propriétés magnétiques varient fortement avec la température entre l'ambiante et une centaine de degrés Celsius afin de les utiliser comme liquide caloporteur dans les systèmes de refroidissement. Les propriétés magnétiques fortement dépendantes de la température d'un tel fluide permettent la mise en mouvement de ce dernier par l'action couplée d'un champ magnétique et d'un gradient de température alors que toutes les pièces solides restent fixes. Le système de refroidissement n'est alors plus assujetti à l'usure de la pompe permettant la circulation du fluide caloporteur. Le système est ainsi globalement plus fiable et moins consommateur d'énergie. L'énergie de mise en mouvement du ferrofluide étant extraite directement des pertes des composants. Le comportement des ferrofluides est trop méconnu à l'heure actuelle pour concevoir et optimiser une pompe statique magnétothermique. Un effort important de modélisation et de caractérisation doit être mené. Ce manuscrit présente une étude pratique vérifiant le principe de création de pression hydrostatique par couplage magnétothermique. Une modélisation de la distribution des forces locales mettant en mouvement le ferrofluide ainsi que la mise en place d'outil permettant la caractérisation des ferrofluides sont également présentées. Les efforts de caractérisation se sont concentrés sur la rhéologie, au regard du champ magnétique, du cisaillement et de la température, ainsi que sur le comportement magnétique du ferrofluide à différentes températures. / The Electrical Engineering in general and power electronics, in particular, plays an increasingly important role in embedded systems. The reliability of electronic systems strongly depends on the management of their temperature. Cooling systems today are heavy, bulky, and consumers of energy, which is in disagreement with embedded systems. It is therefore necessary to look for new systems, more reliable, lighter and use less energy. The subject of this thesis focuses on the use of ferrofluids, magnetic colloidal suspensions at low Curie temperature, the magnetic properties vary strongly with temperature between ambient and one hundred degrees Celsius, for use as coolant in cooling systems. The magnetic properties strongly dependent on the temperature of such fluid allow the actuation of the latter by the action of a magnetic field coupled at a temperature gradient so that all solid parts are stationary. The cooling system is no longer subject to the wear of the pump for the circulation of the coolant. The system is thus globaly more reliable and less energy consuming. The energy for moving the ferrofluid being extracted directly losses components. The behavior of ferrofluids is too little known today to design and optimize a pump magneto static. A major effort of modeling and characterization should be conducted. This manuscript presents a practical study verifying the principle of hydrostatic pressure created by magnetothermal coupling. A modeling of the distribution of local forces by moving the ferrofluid and the development tool for the characterization of the ferrofluids are also presented. Characterization efforts focused on rheology, under the magnetic field, shear and temperature, as well as on the magnetic behavior of the ferrofluid at different temperatures.

La densification extrême des cartes électroniques, couplée à une compacité toujours plus accrue entraîne des contraintes thermiques exacerbées, ceci constitue un verrou technologique à l’évolution des systèmes électroniques.Ce document traite de la modélisation thermique des composants électroniques, et de leur interaction avec des systèmes électroniques en général.Dans une première partie, le concept de modèles compacts, qui est une représentation partielle d’un composant électronique qui s’affranchit de sa géométrie, est abordé. Les différents concepts de modèles numériques sont expliqués et comparés en fonction de leur niveau de précision par rapport à une représentation détaillée d’un composant électronique.Dans une deuxième partie, la modélisation analytique des composants électroniques est développée, pour les composants mono-puces puis multi-puces. Le modèle analytique établi est basé sur la résolution 3-D de l’équation de la chaleur par les séries de Fourier dans un domaine multi-couche et avec des sources de chaleur volumique. Le modèle analytique est également comparé à une modélisation numérique dans le but de quantifier l’avantage de ce type de modélisation.Le concept de modèles compacts temporels est validé expérimentalement dans la troisième partie de ce document. Les modèles compacts explicités dans la première partie sont confrontés à des essais expérimentaux en régime transitoire. Ces essais démontrent que les modèles compacts temporels permettent d’obtenir un écart de température inférieur à 10%, ceci quelle que soit la configuration des véhicules de test thermique.Une quatrième partie s’attache sur un nouveau concept de modèles simplifiés dans le cas où la géométrie des composants électroniques n’est pas connue. Ce type de modélisation se base sur le modèle analytique de la seconde partie. Il est démontré que celui permet d’obtenir un écart inférieur à 10% avec le modèle numérique détaillé, quel que soit le niveau de complexité du composant.Enfin, la dernière partie aborde la potentielle utilisation des modèles compacts développés pour améliorer la conception d’une carte électronique industrielle. Pour cela, la modélisation compacte de cartes électroniques avec composants enterrés a été explorée. Cette approche s’appuie sur le développement analytique effectuée dans la seconde partie des travaux exposés avec pour objectif d’accentuer la capacité à modéliser les cartes possédant de multiples couches. Une méthode intelligente de calcul des diverses couches d’une la carte électronique a été établie. Celle-ci offre la possibilité d’explorer rapidement diverses options d’une conception tout en préservant un niveau de précision important. / The extreme densification of electronic boards, coupled with their size reduction leads to critical thermal stress, resulting in technology barriers to the evolution of electronic systems.This document is about the thermal modelling of electronic components, and their interaction with electronic systems in general.In the first chapter, the concept of compact models, which is a partial representation of an electronic component without its geometry complexity, is addressed. The different types of compact models are explained and discussed in function of their accuracy towards detailed models of electronic components.In a second chapter, the analytical modelling of electronic components is developed, for mono and multi chips packages. The analytical model is based on the resolution of 3-D heat equation by the use of Fourier series for multi-layer domain and volumetric heat sources. The analytical model is therefore compared to numerical models with the goal to quantify the cons and pros of this representation.The concept of dynamical compact models is validated experimentally in a third chapter. The compact models of first chapter are confronted to experimental data in dynamic state. This comparison shows that the developed dynamical compact models have a deviation lower than 10% with experimental results, whatever the configuration of the thermal test vehicles.A fourth chapter introduces a new concept of simplified models, in the case of a lack of information about the geometry of electronic components. This new modelling concept is based on the analytical development of second chapter. It is shown that a discrepancy of less than 10% with detailed numerical models can be achieved, whatever the complexity level of electronic components.Finally, the last chapter deals with a potential way to exploit the developed thermal models for performing industrial board design. Thus, the compact modelling of electronic multilayer boards with buried components in its core layers is investigated.This approach is based on the analytical model of second chapter in order to deal with thin multi-layer electronic boards. A concept of a smart decomposition of the board layers is introduced, which allows a fast design exploration while preserving a high accuracy level.