Brevet FR2592490A1 — publié le 19870703

Procédé et dispositif de mesure de la résistance thermique d'un échantillon tel que notamment un composant de circuit électronique. L'invention se rapporte à un procédé et un dispositif de mesure de la résistance thermique d'un échantillon et s'applique plus particulièrement aux composants de circuits électroniques tels que les plaquettes de circuits intégrés désignées couramment par circuits intégrés, chips ou puces. La dissipation thermique des composants électroniques actifs tels que les transistors de puissance et les circuits intégrés de haute densité est l'un des facteurs déterminants des processus de conception, de fabrication et d'utilisation de ces composants. L'intégration de plus en plus élevée des circuits intégrés dans une plaquette de silicium a pour effet d'accroitre la densité de la chaleur à dissiper. Même si certaines technologies de fabrication de transistors diminuent leur dissipation, l'accroissement de la densité de chaleur à dissiper demeure à cause des très hautes intégrations actuellement développées. Pour conserver l'avantage apporté par les très hautes intégrations de circuits intégrés, les équipements ou assemblages des puces pour leur incorporation dans une machine doivent être parfaitement adaptés à toutes les caractéristiques des puces. La solution adoptée est bien souvent le meilleur compromis entre les caractéristiques mécaniques, électriques et thermiques des éléments impliqués.Les caractéristiques mécaniques et électriques étant ordinairement connues de façon précise, le meilleur compromis ne peut être atteint que par la mesure précise des caractéristiques thermiques. Par exemple, les caractéristiques thermiques d'un circuit intégré sont déterminées par la température au niveau des jonctions P-N les plus dissipatives et par la résistance thermique R entre ces jonctions et l'air ambiant. Toutes les jonctions se trouvent sur une face du circuit intégré, où elles sont réunies entre elles par un réseau métallique d'interconnexion. Les utilisateurs des circuits intégrés sont ainsi amenés à calculer leur puissance maximale de dissipation, égale au quotient (Tj-Ta)/R, où Tj est la température maximale des jonctions les plus dissipatives en général fournie par les constructeurs, Ta est la température de l'air ambiant et R la résistance thermique entre les jonctions et l'air ambiant. Les constructeurs doivent aussi fournir la valeur précise de la résistance thermique R pour le circuit intégré nu.Si le circuit intégré doit être monté dans un boîtier ou être pourvu d'un radiateur, la résistance thermique R fait alors intervenir les résistances thermiques du boîtier, du radiateur et de leurs interfaces. L'utilisateur a donc pour tâche d'évaluer toutes ces résistances thermiques. D'autre part, pour réduire au mieux les différences de températures entre les jonctions et l'air ambiant, l'utilisateur doit essayer un grand nombre de solutions possibles. Tous ces essais ne sont efficaces que si les mesures sont précises. Par ailleurs, il est souhaitable de connaître tout aussi précisément les conductivités thermiques K des matériaux utilisés. On sait que la quantitié de chaleur Q (en Watts) qui traverse un échantillon de section s (m2) suivant son épaisseur e (en mètre) en subissant une diminution de température Tl-T2 détermine la conductivité thermique K de l'échantillon selon la formule K = e.Q/s(Tl - T2). La quantité de chaleur (Q) qui traverse une surface de section (s) est aussi appelée flux de chaleur, exprimé en Watts. La conductivité thermique K s'exprime en W/m. C. Ainsi, connaissant la conductivité K d'un matériau, on détermine facilement par le calcul la résistance thermique d'un élément quelconque fait de ce même matériau, sans avoir à faire de mesure. Cependant, compte tenu du facteur multiplicatif ordinairement associé à K, le calcul de la résistance thermique ne peut avoir de sens que si la valeur de K est très précise. Le problème est donc de disposer d'un procédé et un dispositif de mesure précise de la résistance thermique d'un échantillon, à partir de laquelle pourra être déterminée dans une marge très étroite la conductivité thermique du matériau constituant l'échantillon. Le brevet japonais publié sous le nO 57-132046 décrit un procédé et un dispositif de mesure de la conductivité et de la capacité thermique d'un échantillon. Ce dispositif comprend une plaque de cuivre coopérant avec un thermostat servant de source chaude, et une plaque épaisse en acrylique. Les deux plaques presentent deux faces vis-àvis destinées à enserrer l'échantillon et pourvues chacune d'un thermocouple. Le procédé consiste d'abord à placer l'échantillon sur la plaque en acrylique et à attendre qu'ils aient pris uniformément la température ambiante. Puis on place la plaque de cuivre dans le thermostat pour qu'elle prenne une température uniforme, on la sort du thermostat et on la met rapidement en contact avec l'échantillon. Au bout de trente secondes, on lit les températures au niveau des thermocouples. A partir des valeurs de température relevées et de l'épaisseur de l'échantillon notamment, on détermine la conductivité thermique de l'échantillon à partir d'abaques préétablis en fonction de divers paramètres. Dans le dispositif antérieur, la plaque en acrylique, très bon isolant thermique, ne peut avoir un râle de radiateur ou de source froide. Le procédé antérieur est donc fondé sur la chaleur spécifique (ou massique) qui est transférée de la plaque de cuivre à l'échantillon par unité de temps. En d'autres termes, il n'y a pas de circulation continue d'un flux de chaleur entre une source chaude et une source froide. Ce procédé s'accommode donc mal aux échantillons de masse relativement élevée ou de forte résistance thermique. D'autre part, le fait de retirer d'un thermostat la plaque de cuivre entraine des pertes d'énergie incontrôlables. Le procédé antérieur ne peut donc s'accommoder de grands écarts de température entre les plaques. Enfin, le recours à des abaques suppose des expériences antérieures faites à partir d'échantillons connus et placés dans des conditions particulières restrictives. Il implique en outre un calcul par intra ou extrapolations. En conclusion, le procédé et le dispositif antérieurs ne peuvent fournir des mesures très précises et très fiables de la résistance thermique de n'importe quel échantillon. Selon l'invention, le procédé de mesure de la résistance thermique d'un échantillon de section donnée placé dans l'entrefer de deux barreaux massifs alignés sur un meme axe (OX) est caractérisé en ce qu'il consiste à faire circuler dans les barreaux et dans l'échantillon un flux de chaleur constant ; à tracer la courbe représentative de l'évolution de la température le long de chaque barreau, la courbe résultante étant formée de deux segments de droite parallèles correspondant aux deux barreaux respectifs ; à mesurer la distance qui sépare les deux segments de droite suivant l'axe (OX) ; et a' convertir cette distance en une longueur équivalente de l'un des barreaux pour obtenir la valeur de la résistance thermique de l'échantillon. En corollaire, le dispositif conforme à l'invention pour la mise en oeuvre du procédé comprend deux barreaux massifs alignés sur un même axe et est caractérisé en ce que les deux barreaux massifs sont faits en un matériau bon conducteur thermique et relient respectivement une source chaude et une source froide de façon à présenter entre eux un entrefer réglable, chaque barreau et éventuellement leur source respective étant pourvu d'au moins deux thermocouples disposés suivant leur longueur. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés. Dans les dessins - la figure 1 est une vue schématique illustrant un mode de réalisation d'un dispositif de mesure conforme à l'invention - la figure 2 est un graphe associé au dispositif de la figure 1 de façon à illustrer le procédé de mesure conforme à l'invention - la figure 3 est un graphe utilisé pour la détermination des pertes d'énergie calorifique dans le dispositif représenté sur la figure 1 ; et - la figure 4 illustre une variante de réalisation de l'un des barreaux du dispositif de mesure représenté sur la figure 1. La figure 1 illustre un exemple de réalisation d'un dispositif (10) conforme à l'invention (10) pour la mesure précise de la résistance thermique d'un échantillon (11). L'échantillon (11) est par exemple un circuit intégré rectangulaire de section (s) et d'épaisseur (e). Le dispositif de mesure (10) comprend deux barreaux (12, 13), droits et massifs, en matériau bon conducteur thermique tel que le cuivre. Dans l'exemple illustré, les deux barreaux ont des longueurs égales et ont une même section (s') égale à la section (s) de l'échantillon (11). Les deux barreaux (12, 13) sont coaxialement alignés suivant leur axe central (OX) en reliant respectivement une source chaude (14) à une source froide (15) par l'intermédiaire d'un entrefer (16) réglable au moyen d'un mécanisme (17) classique. La source chaude (14) représentée est constituée par une résistance électrique (18) alimentée par une source de tension (non représentée) et noyée dans un bloc de cuivre (19). La source froide (15) illustrée est un radiateur à ailettes offrant des surfaces d'échange thermique importantes et éventuellement ventilées. La source chaude (14) fournit ainsi une quantité de chaleur (Q) s'écoulant dans les barreaux (12, 13) jusqu'au radiateur (15). Cependant, l'écoulement de la chaleur se fait avec despertes de puissance causées par la convexion naturelle dans l'air ambiant. Ces pertes sont réduites au mieux par une gaine d'isolation (20) entourant l'ensemble des barreaux et de la source chaude. Enfin, des thermocouples (21) sont disposés dans la masse de chaque barreau de façon à transmettre à un instrument de mesure (22) un signal représentatif de la température ("C) des barreaux au niveau de chaque thermocouple. Une disposition régulière des thermocouples sur chaque barreau telle qu'illustrée a l'avantage de faire ressortir l'homogénéité des mesures qui seront faites selon le procédé qui va maintenant être expliqué en référence à la figure 2. L'échantillon (11) est placé dans l'entrefer (16) de façon que sa section corresponde exactement avec celle des barreaux en regard. Les mesures commencent dès que l'équilibre thermique est établi dans l'ensemble du dispositif de mesure (10). Cet état correspond à la circulation d'un flux constant dans les barreaux et l'échantillon. L'ensemble de la source chaude (14) diffuse uniformément une quantité de chaleur donnée (Q), que le barreau (12), l'échantillon (11) et le barreau (13) vont successivement conduire jusqu'au radiateur (15) avec des pertes (q) dues à la convexion naturelle de la chaleur émise en amont du radiateur (15).A partir des résultats de mesure fournis par l'instrument (22), on trace la courbe représentative de l'évolution de la température (T) le long des barreaux entre la source chaude et la source froide, c'est-à-dire suivant l'axe (OX) dont l'origine (0) est prédéterminée. Dans l'exemple illustré, l'origine (0) correspond à la jonction du barreau (12) avec la source chaude (14). La courbe résultante est formée de deux segments de droite parallèles (D1, D2) correspondant aux températures prélevées sur les deux barreaux respectifs (12, 13). L'interprétation de la courbe représentée sur la figure 2 va maintenant être faite. On comprend que si les barreaux (12, 13) ne formaient qu'un seul barreau, la température diminuerait régulièrement de la source chaude (14) au radiateur (15) selon un segment de droite (D'1) prolongeant le segment (D1) comme représenté par un trait tireté sur la figure 2. On en déduit qu'en l'absence fictive de l'entrefer (16), la température prélevée du thermocouple (21) placé au point (X1) sur le barreau (13) à proximité de l'entrefer (16) serait (T1). En réalité, la température prélevée est (T2), d'une valeur plus faible que (T1) à cause de la plus grande résistance thermique de l'échantillon (11) relativement à celle des barreaux. Par conséquent, la différence (T1-T2) est représentative de la résistance thermique de l'échantillon (11).Bien entendu, la quantité de chaleur présente au point de température (T2) se propage dans le barreau (13) de manière similaire à celle se propageant dans le barreau (12), de sorte que l'on obtient le segment de droite (D2) parallèle à (D1). Ainsi, si à partir du point (X1,T2) on trace une ligne parallèle à l'axe (OX), cette ligne coupe le segment (D'l) en un point d'abcisse (X2). Par rapport au segment (D'1) représentatif de l'évolution des températures dans le matériau constituant les barreaux. la distance dl = X2-X1 correspond donc à la longueur équivalente de lrun des barreaux pour obtenir la différence de température (T1-T2) due à la présence de l'échantillon (11).Autrement dit, la résistance électrique apportée par l'échantillon (11) correspond à la résistance électrique d'un barreau similaire aux barreaux (12) et (13) et de longueur (dl). Un simple calcul permet donc de déterminer précisément la résistance thermique de l'échantillon (11). La formule générale pour le calcul de la conductivité thermique de l'échantillon (11) devient, dans le cas particulier de la figure 2, K = (Q-q)(dl-e)/s(Tl-T2). Dans cette formule, tous les paramètres sont jusqu'à présent connus de manière précise, à l'exception du facteur (Q - q) représentatif du flux de chaleur qui traverse les barreaux (12 et 13) pour être évacué par le radiateur (15). Pour déterminer précisément le facteur (Q - q), le procédé suivant peut être adopté en référence à la figure 3. D'abord. on trace une courbe de référence (C) représentative des variations de la température (T') en un point donné (21') de la source chaude seule (déconnectée du barreau 12) en fonction de la puissance thermique (Q) fournie par la résistance électrique (18). Ainsi on définit une température de référence (T') pour chaque quantité de chaleur (Q) capable d'être émise par la source de chaleur (14) à son état d'équilibre thermique.Ensuite, pour la puissance (Q) spécifiquement appliquée sur la source (14) équipée des barreaux (12, 13) pour faire une mesure de résistance thermique conforme à l'invention, on mesure la température (To) au même point donné de la source chaude. La différence entre cette température (To) et la température de référence (T'o ) correspondant à la même puissance (Q) correspond aux pertes (q). Pour l'évaluation de (q), il suffit de se reporter au graphe précédent pour déterminer l'écart de puissance correspondant à la différence de température constatée T'o - To. D'où l'on déduit le facteur Q - q de la formule donnant la valeur de K. Dans les figures 1 et 2, la distance (dl) correspond exactement à la résistance thermique de l'échantillon (11) seulement si les interfaces (23, 24) de l'échantillon (11) avec les faces en vis-à-vis des barreaux (12, 13) ont une résistance thermique nulle. Ceci suppose une correspondance en tout point des faces vis-à-vis, c'est-à-dire des faces parfaitement planes et parallèles. Les cas pratiques s'écartent plus ou moins de cet état de perfection, surtout en fonction de la grandeur de la section (s) de l'échantillon. Pour un échantillon (11) de grande section, le procédé conforme à l'invention consiste en outre à constituer les interfaces (23,24) par des joints de matière visqueuse bonne conductrice thermique, telle qu'une graisse au silicone. Cette matière a l'avantage d'écouler uniformément la chaleur entre les barreaux et l'échantillon malgré les imperfections de surface, mais elle a l'inconvénient d'ajouter sa propre résistance thermique à celle de l'échantillon (11).La distance (dl) est alors la somme d'une distance (d'l) représentative de la résistance thermique de l'échantillon et d'une distance (d2) représentative de la résistance thermique des joints (23, 24). I1 faut donc procéder à la mesure de la résistance thermique des joints (23) et (24). Cette mesure est avantageusement faite en plaçant dans l'entrefer (16) un joint identique aux joints (23, 24). Ce joint joue alors le rôle d'échantillon dans le procédé de l'invention. La courbe résultante sera formée du segment de droite (D1) et d'un segment de droite (D3) parallèle à (D1) et distant de lui d'une longueur (d3) suivant l'axe OX. Sur le graphe de la figure 2, il suffit donc de doubler la valeur (d3 = X3-X1) pour obtenir la distance (d2) et de retrancher (d2) de la distance (dl) pour obtenir la distance (d'l) représentative de la valeur précise de la résistance thermique de l'échantillon (11). Dans ce cas, la conductivité thermique K de l'échantillon (11) se calcule par la formule K = (Q - q)(d'l - e)/s(Tl T3) où T1 - T3 est la différence de température correspondant, sur le graphe de la figure 2, à la distance d'l. En outre, la mise en place dans l'entrefer (16) d'un échantillon (11) dont les deux grandes faces présentent des défauts de planéité ou de parallélisme risque d'exercer sur l'échantillon des contraintes dommageables et susceptibles de fausser les mesures et donne aux interfaces (23, 24) des épaisseurs non uniformes préjudiciables à la précision des mesures. Le dispositif de mesure (10) conforme à l'invention peut remédier à cet inconvénient en donnant à l'un des barreaux, le barreau (13) par exemple, la structure représentée sur la figure 3 au niveau de l'entrefer (16). La face correspondante de cet entrefer est formée par la face plane d'une rotule (25) approximativement hémisphérique, logée dans une cavité correspondante du barreau (13).La modification de la résistance thermique du barreau (13), due à cette structure, a l'avantage d'être constante et de pouvoir être prédéterminée par application du procédé conforme à l'invention. L'exemple qui vient d'être décrit en référence aux figures 1 et 2 correspond au cas où la section (s') des barreaux (12, 13) est identique à la section (s) de l'échantillon (11). I1 apparait maintenant clairement que cette condition s'avère idéale du fait que les lignes de flux de la chaleur entre les sources (14) et (15) sont uniformes. Cependant, cette condition exige de conformer les barreaux en fonction des échantillons à mesurer. Pour une grande variété de sections d'échantillons à mesurer, il sera préférable de donner à (s') la plus grande (sO) des valeurs (s) des échantillons susceptibles d'être mesurer. Pour une valeur (si) plus faible, les lignes de flux dans les barreaux (12) et (13) se resserrent au niveau de l'échantillon et vont perturber les mesures. Cependant, un étalonnage préalable peut être fait, par exemple en comparant les mesures avec celles obtenues avec des barreaux de la même section (si). Grâce à de telles mesures, on comprend que la section (s') de chaque barreau peut aussi être différente. En outre, pour des échantillons faits en un matériau relativement bon conducteur thermique, on peut considérer que des barreaux de section (s') légèrement inférieure à la section (s) de l'échantillon ne perturbent pas les mesures. C'est le cas par exemple d'un échantillon de section approximativement carrée, mesuré avec des barreaux de section (s') correspondant au cercle inscrit dans (s).Cependant, si une perturbation existait, il serait possible d'en tenir compte dans les calculs de la résistivité de l'échantillon. Ceci explique pourquoi, en règle générale, il faut que la section (s') des barreaux soit au moins approximativement égale à la section (s) de l'échantillon. Par ailleurs, il ressort que le procédé de l'invention respose sur l'établissement de deux segments de droite (D1, D2). Dans l'exemple illustré, six thermocouples (21) portés sur chaque barreau (12, 13) permettent d'obtenir un segment bien défini. Cependant, deux thermocouples suffiraient évidemment pour l'établissement de chaque segment. D'autre part, il n'est pas nécessaire que tous.le thermocouples soient disposés dans la masse des barreaux si leur connexion à leur source respective est idéale, sans résistance. Par exemple, il suffirait du thermocouple (21') disposé dans la masse du bloc (19) de la source chaude (14) (et constituant l'origine 0 de l'axe OX) et au moins un thermocouple (21) dans le barreau (12). De même, il suffirait d'un thermocouple dans la masse du radiateur (15) au voisinage du barreau (13) et d'au moins un thermocouple dans le barreau (13). En outre, il apparait aussi clairement que les barreaux peuvent être de longueur différente. En conclusion, le procédé de l'invention est très général, pouvant être appliqué pour la mesure précise et fiable d'échantillons quelconques, de structure simple ou composite. Revendications 1. Procédé de mesure de la résistance thermique d'un échantillon (11) de section donnée (s) placé dans l'entrefer (16) de deux barreaux massifs (12, 13) alignés sur un même axe (ox), caractérisé en ce qu'il consiste : à faire circuler dans les barreaux et dans l'échantillon un flux de chaleur constant ; à tracer la courbe représentative de l'évolution de la température (T) le long de chaque barreau, la courbe résultante étant formée de deux segments de droite parallèles (D1, D2) correspondant aux deux barreaux respectifs ; à mesurer la distance (dl) qui sépare les deux segments de droite suivant l'axe (OX) ; et à convertir cette distance en une longueur équivalente de l'un des barreaux pour obtenir la valeur de la résistance thermique de l'échantillon. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à interposer un joint de matière visqueuse bonne conductrice thermique (23, 24) entre l'échantillon (11) et chaque barreau (12, 13) et à mesurer la résistance thermique d'un tel joint en le prenant comme échantillon (11). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer la conductivité thermique (K) de l'échantillon (11) par la formule K = (Q - q)(dl e)/s(Tl - T2), où (e) est l'épaisseur de l'échantillon, (T1 - T2) est la différence de température correspondant à la distance (dl) et déterminée à partir de la courbe précitée, et (Q - q) est le flux thermique fourni effectivement par la source chaude (14). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer le facteur (Q- q) en traçant une courbe de référence (C) représentative des variations de la température (T') en un point donné (21') de la source chaude seule (14) en fonction de la puissance thermique reçue par la source chaude, en relevant lors d'une mesure faite sur un échantillon (11) à une puissance thermique donnée (Q) la température (To) de la source chaude audit point donné (21'), en relevant sur la courbe de référence (C) la température (T'o) correspondant à ladite puissance thermique donnée (Q), et en déduisant de la courbe de référence (C) les pertes de puissance thermique (q) correspondant à la différence de température (T'o - To). 5. Dispositif de mesure pour la mise en oeuvre du procédé défini par l'une des revendications 1 à 4, comprenant deux barreaux massifs (12, 13) alignés sur un même axe (OX), caractérisé en ce que les deux barreaux massifs sont faits en un matériau bon conducteur thermique et relient respectivement une source chaude (14) et une source froide (15) de façon à présenter entre eux un entrefer (16) réglable, chaque barreau et éventuellement leur source respective étant pourvu d'au moins deux thermocouples disposés suivant leur longueur. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'un des barreaux (13) comporte au niveau de l'entrefer (16) une rotule (23) pourvue d'une face plane constituant une face de l'entrefer. 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la source chaude (14) est constituée par une résistance électrique (18) noyée dans un bloc bon conducteur thermique (19). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le bloc (19) est déconnectable du barreau associé (12) et comporte un thermocouple (21').