The main purpose of this research is to utilize the FEMLAB multiphysics software as to analyze the thermal stress of Cu/Diamond/Cu three-layered heat spreader device. The alteration of film thickness under different temperatures(allowing the device to increase from room temperature of 27¢XC to 100¢XC, 200¢XC and 300¢XC), with upper Cu layer of 2µm, altered middle diamond layer(20µm, 50µm 100µm), and lower Cu layer(100µm, 200µm, 300µm)(assuming that there is no residual stress produced after the manufacture of heat spreader device), is regarded as the conditional parameter of heat spreader device in analyzing the deformation rate and stress variation produced. After simulation of the research, it was found out that a maximum shear stress is attained under a fixed temperature load. And, when the film thickness is altered and under a fixed thick of Cu layer, the shear stress will become bigger due to the thickness of the diamond layer increases, when the diamond layer is 50-70µm, stress increases slowly; but it is considered to be the greatest effect when the heat transfer of diamond is at 100µm; thus selection of 70µm would be a better option in this paper suggestion, and that the alteration of the thickness of lower Cu layer will not cause great effect to max shear stress.) After stabilizing the thickness of upper Cu layer and middle diamond layer, the maximum deformation rate will become smaller when the thickness of lower Cu layer increases.

Multiple oscillating heat spreaders (OHS) were fabricated for the purpose of effectively transporting heat fluxes from vehicular electronics. The OHSs possessed modified evaporators for enhanced thermal spreading capabilities; one OHS was designed for pressure shorting, i.e. the ‘Slots OHS’, and the other for thermal shorting, i.e. the ‘Perforated Evaporator OHS’. These OHSs were tested in the axial heating configuration with the evaporator length-wise opposite the condenser, as well as in a centralized heating configuration implemented with the condenser thick-wise opposite the heat source to characterize thermal spreading effectiveness. The condensing location and heat input were varied in the central heating and axial configuration to determine thermal spreading effectiveness dependency to condenser location, heat removal, and heat input. Both OHSs were experimentally compared to an OHS of similar dimensions with no modified evaporator, and the results indicate the modified evaporators improve OHS thermal spreading ability for high heat flux thermal management.

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On assiste aujourd’hui au développement massif des technologies nomades. L’utilisation de boîtiers compacts est ainsi en plein croissance, non seulement à cause des téléphones portables et tablettes, mais aussi à cause de l’introduction massive de l’électronique dans les appareils portables de la vie quotidienne. La microélectronique embarquée dans ces appareils représente le principal outil d’information et de communication des personnes avec le monde extérieur. Le rythme de développement de ces technologies dans les dernières années est tel que les possibilités d’utilisation des appareils portables d’aujourd’hui étaient de la science-fiction il y a seulement 10 ans.Les fonctionnalités qui verront le jour dans les années à venir ne peuvent donc pas toutes être encore imaginées. Ces fonctionnalités vont toutefois très certainement impliquer une augmentation des performances de calcul des dispositifs, et par conséquent de la chaleur qu’ils dissipent.Aujourd’hui, on envisage des puces complexes comprenant plusieurs niveaux logiques et basées sur technologies hétérogènes. On demande également que ces technologies soient intégrées dans les appareils utilisés dans la vie quotidienne, qu’ils soient connectés entre eux et qu’ils réagissent de façon intelligente. Les stratégies de dissipation de la chaleur doivent donc être en adéquation avec la réduction des dimensions des dispositifs de la microélectronique.L’objectif de la thèse présentée dans ce manuscrit est ainsi d’étudier les stratégies de dissipation thermique des boîtiers compacts avec l’aide de répartiteurs de chaleur intégrés. Ce travail porte sur la caractérisation des performances et contraintes des répartiteurs thermiques avec matériaux carbonés. Les répartiteurs sont capables de dissiper sur sa surface la chaleur produite dans un point chaud.Afin d’étudier le phénomène de la dissipation avec un répartiteur, on a mis en place une méthodologie qui prend en compte le caractère multiniveau de la dissipation thermique. L’objectif est de pouvoir se concentrer sur l’interaction entre le répartiteur thermique et chacun des éléments de l’ensemble. On a réutilisé deux véhicules de test et on a désigné un véhicule de test spécifique pour l’étude de la thermique des puces imageurs.Les travaux sont basés sur deux axes : Les études d’intégration et les études thermiques. Les études d’intégration prennent en compte les contraintes dérivées de l’implémentation des couches répartiteurs dans des boitiers compactes. On se concentre d’abord sur les procès d’implémentation des couches répartiteurs au sein de l’ensemble dans un procès industriel. Ensuite on étudie les effets thermomécaniques et les effets sur l’intégrité des signaux à haute fréquence.Les études thermiques caractérisent le gain en performances dérivé de cette intégration. On analyse ces phénomènes thermiques avec des mesures et des simulations. Premièrement au niveau silicium et répartiteur, deuxièmement au niveau boitier et finalement on se concentre sur les effets dans une puce et boitier imageur.A la lumière des résultats on peut dire que les matériaux carbonés se présentent comme l’alternative plus intéressante pour l’implémentation à grande échelle de répartiteurs dans des boitiers compacts. Cette implémentation sera poussée par la recherche des prestations dans des boitiers de plus en plus complexes et hétérogènes, ou l’empreinte du répartiteur doit être minimale. La combination des couches de carbone a tous les niveaux du boitier, avec des TIMs des épaisseurs réduites sera la tendance dans les années à venir pour ce type de dispositifs.Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration tripartie entre le CEA-LETI de Grenoble, le laboratoire G2Elab de l’INP Grenoble et STMicroelectronics à Crolles. / We witness today an explosion of nomadic technologies. Portable devices have become the main tool that people use to connect with the rest of the world. The microelectronics embedded in these devices is the technology that drives this process. The pace of development of these technologies is such that the versatility of portable devices today were science fiction only 10 years ago.The functionalities that will be integrated in the coming years cannot be imagined yet. These features will imply an increase of the computing demands, and consequently, of the heat dissipated inside them. The trend leads to complex stacks with heterogeneous modules of heat dissipating layers.These technologies will be integrated in everyday life. Internet of Things, as we call it, will demand an increasing amount of independent low footprint devices that will be connected. Heat dissipation strategies must therefore be compatible with increasingly smaller dimensions. Compact packages demand is growing rapidly, not only because of telephones and tablets, but also because of the massive introduction of electronics into in everyday life devices.The objective of the thesis is to study the integration of heat-spreaders in compact packages to enhance its thermal performance. This work goes deeply in the characterization of the thermal performance of carbon-base heat spreaders. Heat-spreaders are able to extract the heat produced in hot spots and transport it along its surface.In order to study the heat spreading phenomenon, a methodology that takes into account the multi-level nature of heat dissipation has been implemented. The objective is to be able to focus on the interaction between the heat-spreader and each one of the elements of the package stack. Two test vehicles have been re-used from previous works. A specific test vehicle was also design in order to emulate the thermal behavior of imaging sensors.The thesis is based on two main axes: Integration studies and thermal studies. The integration studies take into account the constraints derived from the implementation of heat spreaders in compact packages. Firstly, we focus on the implementation processes within an industrial process. Latelly, we study the thermomechanical effects of heat spreaders and the impact on the integrity of high frequency signals.Thermal studies are aimed to characterize the performance gain derived from this heat spreader integration. The thermal phenomena are analyzed with measurements and simulations. First at silicon and interface level, then at package level, finally we focus on the effects in image sensor die and package.In the light of the results it can be said that carbon based materials are the most interesting alternative for large-scale implementation of heat spreaders in compact packages. This implementation will be driven by the research of new functionalities and performances in compact packages. The heat spreader will have to perform while maintaining a minimal footprint. The combination of carbon layers at all package levels, along with reduced thermal interface thickness will be the trend in the coming years for this type of device.This thesis is part of a tripartite collaboration between the CEA-LETI of Grenoble, the G2Elab laboratory of the INP Grenoble and STMicroelectronics in Crolles.

La miniaturisation toujours plus poussée des composants électroniques génère des contraintes thermiques de plus en plus importantes. Les boucles diphasiques à pompage thermo-capillaire ou LHP suscitent actuellement un intérêt croissant en raison de leurs bonnes performances thermiques, de leur fiabilité et de leur géométrie permettant une grande souplesse d’implantation. Cependant, une meilleure compréhension des phénomènes en jeu dans ces systèmes est essentielle pour optimiser leur conception et prédire leur comportement de manière fiable. Dans ce travail, un modèle analytique est développé qui intègre les paramètres de fonctionnement d’une LHP, afin d’étudier leur influence en fonction des conditions opératoires. Son originalité principale réside dans la détermination précise de la répartition des différents flux thermiques dans l’évaporateur. Une étude de sensibilité est menée pour évaluer les influences de la résistance de contact entre la structure capillaire poreuse et l’enveloppe de l’évaporateur, de la conductivité thermique équivalente du matériau poreux, du coefficient d’accommodation lié aux transferts de chaleur par évaporation et des coefficients de transfert thermique entre la paroi et le milieu ambiant ou la source froide. Cette analyse montre que les paramètres mentionnés ci-dessus peuvent être estimés individuellement, en comparant le modèle à des données expérimentales judicieusement choisies. Un banc expérimental a également été conçu et fabriqué. Partiellement transparent, il permet l’observation de la position des phases liquide et vapeur au cours du fonctionnement. Les influences de la puissance thermique appliquée, de la présence de gaz incondensables et de la température de la source froide sont analysées. Aux puissances thermiques élevées, un régime d’ébullition nucléée est observé dans le réservoir, qui se traduit par une augmentation des flux parasites vers le réservoir donc une dégradation des performances de la LHP. Plusieurs phénomènes oscillatoires sont également observés et corrélés aux observations visuelles des écoulements. Enfin, différents régimes de condensation sont observés et les mécanismes conduisant au détachement des bulles dans le condenseur sont décrits. Un modèle numérique a été développé, afin de simuler le comportement du banc expérimental en se rapprochant au plus près de ses caractéristiques géométriques et thermophysiques. La comparaison entre les prédictions du modèle et les données expérimentales montre les carences des modèles de pertes de charges dans les écoulements diphasiques, pour la configuration étudiée. Les transferts de chaleur et de masse dans l’évaporateur sont analysés, ainsi que l’influence de l’apparition de l’ébullition dans le réservoir et celle de la conductivité thermique de l’enveloppe de l’évaporateur. Les résultats mettent également en évidence l’importance de la conduction thermique longitudinale dans les canalisations dans le cas d’un matériau conducteur. / The increasing development of electronics leads to higher constraints regarding their thermal management. Loop heat pipes (LHP) become more and more attractive because they offer thermal efficiency, reliability and large implementation flexibility. However, a better understanding of the physical phenomena involved within them is required in order to optimise their design and predict accurately their operation. An analytical model is developed to highlight the main parameters of a LHP and their influence depending on the operating conditions. Its main originality lies in a thorough consideration of heat transfer in the evaporator. A sensitivity analysis is conducted to study the influence of the contact thermal resistance between the wick and the body of the evaporator, of the effective thermal conductivity of the wick, of the accommodation coefficient linked to the evaporation heat transfer and of the heat transfer with the ambient and with the heat sink. This analysis shows that these parameters can be individually and separately estimated by comparing the model to a set of well-chosen experimental data. An experimental setup is designed and built. It is partially transparent, to observe the location of the liquid and vapour phases in operating conditions. The effects of the heat input, non-condensable gases and of the heat sink temperature are discussed. Nucleate boiling is observed inside the reservoir for high heat fluxes. This phenomenon increases significantly the parasitic heat flux towards the reservoir and therefore decreases the performance of the LHP. Several oscillating phenomena are also observed and correlated to the flow patterns. Finally, distinct condensation regimes are investigated and the mechanisms leading to the bubble detachment in the condenser are discussed. A numerical model is developed in accordance with the geometrical and thermophysical characteristics of the experimental setup. The model is compared with the experimental data. The comparison shows the lack of accuracy of the two-phase pressure drops models in this configuration. Heat and mass transfer in the evaporator are discussed and the effects of boiling in the reservoir and of the thermal conductivity inside the evaporator casing are investigated. The results highlight the importance of the longitudinal thermal conduction inside the tube in the case of conductive materials.