Brevet FR2941562A1 — publié le 20100730

� Système et procédé de refroidissement d'un circuit intégré, notamment d'un processeur � La présente invention concerne un système pour refroidir un circuit intégré, tel un processeur. Elle vise également un procédé mis en oeuvre dans ce système. Les circuits intégrés produisent de la chaleur lorsqu'ils sont en fonctionnement et il est nécessaire de les refroidir pour les maintenir à une température de fonctionnement acceptable. Il existe déjà pour le refroidissement de circuits intégrés des techniques d'évacuation de chaleur par convection forcée, mettant en oeuvre des ventilateurs. Ce mode de refroidissement présente toutefois l'inconvénient d'être bruyant et de contribuer à une accumulation de poussière dans l'enceinte ou le boîtier contenant les circuits intégrés ainsi refroidis. Une autre technique de refroidissement utilisée pour des circuits intégrés tels que des microprocesseurs met en oeuvre une circulation d'un fluide, avec l'assistance d'une pompe. Cette technique ne procure pas l'inconvénient précité d'accumulation de poussière. Le document WO/2005/038860 divulgue un procédé de refroidissement de composants électroniques par circulation d'un liquide directement sur la puce (� direct die �). On connaît aussi des techniques de refroidissement par liquide mettant en oeuvre des � waterblocks � (ou blocs d'eau) prévus pour le refroidissement de composants électroniques tels que des processeurs ou des cartes graphiques. Toutefois, les procédés actuels de refroidissement par fluide ont pour effet de recouvrir les puces ainsi refroidies par des dispositifs fluidiques et de rendre celles-ci difficilement accessibles. Le but de la présente invention est de proposer un système de refroidissement par circulation de fluide, qui présente une efficacité thermique au moins du même niveau que celle des systèmes actuels tout en maintenant un accès visuel aux puces ainsi refroidies. 2941562 -2 Cet objectif est atteint avec un système de refroidissement d'un circuit intégré incluant une puce (die), comprenant des moyens pour faire circuler un fluide de refroidissement dans un caloduc en couplage thermique avec ladite puce et dans un dissipateur thermique disposé sensiblement au 5 dessus de ladite puce et agencé pour dissiper en convection naturelle la chaleur générée par la puce. caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour visualiser le fluide de refroidissement lors de son passage au dessus de la puce, ces moyens de visualisation étant disposés sensiblement en vis-à-vis d'une ouverture ménagée dans le dissipateur thermique. 10 Ainsi, avec le système de refroidissement selon l'invention, il devient possible de concilier l'efficacité d'un refroidissement liquide et la possibilité de procurer une visualisation de l'écoulement de fluide au dessus de la puce. Il devient alors possible de proposer des structures d'ordinateur personnel procurant à leur utilisateur le moyen d'observer le 15 refroidissement du processeur équipant leur ordinateur. Dans une configuration avantageuse de l'invention, les moyens de circulation sont disposés sensiblement au dessus de la puce. Les moyens de circulation peuvent par exemple comprendre une pompe électro-osmotique, qui est disposée dans une enceinte surplombant sensiblement la puce, cette 20 enceinte comprenant un conduit d'entrée pour recevoir le fluide de refroidissement et un conduit de sortie pour évacuer le fluide de refroidissement en sortie de ladite pompe. Le système de refroidissement selon l'invention peut en outre comprendre une pièce support réalisée dans un matériau sensiblement 25 transparent ou translucide comprenant une partie inférieure creuse agencée pour recevoir la pompe électro-osmotique et une partie supérieure pleine s'étendant vers le haut sensiblement à vis-à-vis d'une fenêtre ménagée au sein du dissipateur thermique. Les parties respectivement inférieure et supérieure sont par exemple 30 de forme sensiblement parallélépipédique. Le circuit de refroidissement peut être agencé pour être en couplage thermique avec au moins un autre circuit intégré ou composant électronique source de chaleur, et comprendre en outre des moyens de conversion thermoélectrique disposés de façon à être en couplage thermique avec le - 3 dissipateur thermique et prévus pour fournir de l'énergie électrique aux moyens de circulation du fluide de refroidissement. Le système de refroidissement selon l'invention peut également comprendre des moyens pour rehausser le circuit intégré à refroidir par rapport à une carte mère à laquelle ledit circuit est électriquement connecté, ainsi que des moyens pour éclairer la partie supérieure de la puce et les moyens de visualisation. On peut aussi prévoir des moyens de filtrage coloré disposés sensiblement au dessus du caloduc, qui peuvent être thermosensibles et agencés pour procurer une information sur le niveau de température au niveau de la puce. Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé pour refroidir un circuit intégré incluant une puce (die), comprenant une circulation d'un fluide de refroidissement dans un caloduc en couplage thermique avec ladite puce source de chaleur et dans un dissipateur thermique agencé pour dissiper en convection naturelle la chaleur générée par ladite puce, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une visualisation du fluide de refroidissement lors de son passage au niveau de la dite puce. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels : - - la figure 1 est une vue schématique d'un premier exemple de réalisation d'un système de refroidissement selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique d'un second exemple de réalisation d'un système de refroidissement selon l'invention ; - La figure 3 est une vue de dessus d'un dissipateur mis en oeuvre dans un système de refroidissement selon l'invention ; - la figure 4 est une première vue latérale d'un système de refroidissement selon l'invention ; - la figure 5 est une seconde vue latérale du système de refroidissement représenté en figure 4 ; - la figure 6 est une vue de dessus d'une pièce formant couvercle au sein du système de refroidissement des figures 4 et 5 ; - 4 - La figure 7 est une vue latérale d'une pièce réceptrice au sein du système de refroidissement des figures 4 et 5 ; - La figure 8 est une vue en coupe de la pièce réceptrice de la figure 7 ; - La figure 9 est une vue de dessus illustrant la pièce réceptrice et la pièce formant couvercle ; - La figure 10 est un schéma fonctionnel d'un système de refroidissement selon l'invention ; et - La figure 11 illustre une forme particulière de réalisation d'une pièce réceptrice au sein d'un système de refroidissement selon l'invention. Un système de refroidissement S selon l'invention comprend, en référence à la figure 1, une enceinte 7 recevant un liquide de refroidissement via un conduit d'entrée 20, un conduit de sortie 21 étant prévu pour l'évacuation du liquide dans un circuit fermé de refroidissement C. Cette enceinte 7 comporte dans sa partie inférieure un caloduc réalisé dans un matériau sensiblement transparent et en contact thermique direct avec la puce 1, qui est de préférence nue (� die �). Au dessus de cette enceinte 7 est disposé un dissipateur thermique 9 réalisé en carbone et cuivre nanostructuré et dans lequel circule le fluide de refroidissement après avoir été en échange thermique avec la puce 1. Ce dissipateur présente sur sa partie supérieure une structure conventionnelle en ailettes 31 et une ouverture 30 formant fenêtre sensiblement au dessus de l'enceinte 7. cette fenêtre 30 permet d'observer la circulation du liquide au dessus de la puce 1. Un dispositif convertisseur thermoélectrique 4, par exemple du type à effet Seebeck, est fixé au dissipateur thermique 3 pour produire de l'énergie électrique qui est utilisée pour alimenter une pompe 5 assurant la circulation du fluide dans un circuit de refroidissement C'. On peut aussi prévoir, pour l'alimentation de la pompe, un ou plusieurs autres convertisseurs thermoélectriques tel que le convertisseur 6 en couplage thermique avec un composant électronique 11 présent dans l'ordinateur. En référence à la figure 2 correspondant à une autre configuration d'un système de refroidissement S', la pompe de circulation est réalisée sous la forme d'une pompe électro-osmotique insérée dans une pièce de forme sensiblement parallélépipédique 23 - appelée dans la suite � cube 2941562 -5 électro-osmotique � et directement placée au dessus de la puce 1, séparée de celle-ci par une lame fine en pyrex 22 fixée par soudure anodique. Le cube électro-osmotique 23, de technologie connue dans l'art antérieur, comprend une enceinte réalisée dans un matériau plastique sensiblement 5 transparent tel que du plexiglas� et pourvue d'un conduit d'entrée 20 pour recevoir un fluide de refroidissement et d'un conduit de sortie 21 pour évacuer ce liquide dans un circuit de refroidissement. Le cube électro-osmotique 23 comporte un dispositif de catalyse 26, une pièce en verre poreux (frité) assurant la séparation entre dioxygène 10 (02) et dihydrogène (H2) , et une paire d'électrodes 27 prévues pour réaliser une électrolyse du liquide et alimentées par un convertisseur thermoélectrique à semiconducteurs 28, par exemple du type à effet � Seebeck �, situé au contact direct d'un dissipateur thermique en carbone et cuivre nanostructuré 31. 15 Ce dissipateur thermique 3 comprend, en référence à la figure 3, une ouverture formant fenêtre 30 et un ensemble de canaux 300 parcourus par le liquide de refroidissement via un conduit d'entrée 34 relié au conduit de sortie 21 du cube électro-osmotique 25 et un conduit de sortie 33 relié au conduit d'entrée 20 dudit cube 23. Le convertisseur thermoélectrique 28 est 20 pourvu sur sa face inférieure d'une feuille de mica translucide 24 réalisant une fonction d'écran thermique à l'égard de la chaleur émanant d'autres composants présents sur la carte mère. La partie supérieure du cube électro-osmotique 23 constitue une fenêtre d'observation de la circulation du fluide de refroidissement au 25 dessus de la puce 1. Le caloduc qui véhicule le liquide caloporteur de la puce vers le dissipateur thermique peut être réalisé à partir d'un film transparent de nanotube de silicium ou de carbone qui a été baigné dans un gel. La partie haute de la puce - ou � die � - est recouverte d'un caloduc 30 en nanotubes de silicium transparent. La partie haute de ce caloduc baigne dans le liquide de refroidissement et ainsi refroidie. A titre optionnel, le caloduc transparent peut avoir un effet de grossissement optique permettant à l'utilisateur de lire des caractères inscrits sur la puce. 2941562 -6 Dans un système de refroidissement selon l'invention, le cube électro-osmotique 23 est logé dans une pièce réceptrice 7 ayant une embase 40 pourvue de trous de fixation 420, 430, 440, 450 (figure 6) et fixée à la carte mère 41 par des vis 42, 43 et au dessus de laquelle est 5 disposée une plaque 32 de fixation du dissipateur thermique 3, en référence à la figure 4. La puce 1 - non visible dans la figure 3 car insérée à l'intérieur de la pièce réceptrice 7 - est rehaussée par rapport à la carte mère 41 au moyen d'un ensemble 100 d'espaceurs 101-104 adaptés pour assurer les connexions électriques entre les broches de la puce et les pistes de la carte 10 mère 41. En référence aux figures 5 et 6, le dissipateur thermique 3 est fixé à la pièce support 32 qui peut être reliée mécaniquement à la carte mère 41 par des pontets 71, 72. En référence aux figures 7 à 9, la pièce réceptrice 7 est réalisée dans 15 un matériau plastique transparent et comporte une partie supérieure pleine 71 et une partie inférieure évidée 72 prévue pour recevoir la pompe électroosmotique. La partie réceptrice comporte aussi dans sa paroi inférieure les deux conduits respectivement d'entrée et de sortie 20, 21 et dans son embase 70 des trous de fixation 420, 430. 20 L'ouverture inférieure de la pièce réceptrice 7 est prévue pour recevoir une puce nue 1 (� die �) fixée par un joint siliconé. On peut prévoir, en référence au schéma synoptique de la figure 10, qu"un circuit fermé de refroidissement C" d'un système selon l'invention inclue non seulement le dissipateur thermique 3 et le caloduc de 25 refroidissement situé au dessus de la puce 1 mais aussi d'autres dispositifs de transfert thermique 1.1, 1.2, 1.3. Comme l'illustre la figure 11, la pièce réceptrice 7 est de forme tridimensionnelle avec trois niveaux empilés correspondant respectivement à l'embase 70 avec un logement recevant la puce 1, à une partie 30 intermédiaire 71 prévue pour intégrer la pompe électro-osmotique avec les deux conduits 20, 21 et des fentes 72, 73 prévues pour y insérer la pièce de verre poreux et les électrodes (non représentées). 2941562 -7 Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. 5 REVENDICATIONS1. Système de refroidissement d'un circuit intégré incluant une puce (die), comprenant des moyens pour faire circuler un fluide de refroidissement dans un caloduc en couplage thermique avec ladite puce source de chaleur et dans un dissipateur thermique agencé pour dissiper en convection naturelle la chaleur générée par ladite puce, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour visualiser le fluide de refroidissement lors de son passage au dessus de ladite puce, ces moyens de visualisation étant disposés sensiblement en vis-à-vis d'une ouverture ménagée dans le dissipateur thermique. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de circulation sont disposés sensiblement au dessus de la puce. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de circulation comprennent une pompe électro-osmotique. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que la pompe 20 électro-osmotique est disposée dans une enceinte surplombant sensiblement la puce, la dite enceinte comprenant un conduit d'entrée pour recevoir le fluide de refroidissement et un conduit de sortie pour évacuer le fluide de refroidissement en sortie de ladite pompe. 25 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une pièce support réalisée dans un matériau sensiblement transparent ou translucide comprenant une partie inférieure creuse agencée pour recevoir la pompe électro-osmotique et une partie supérieure pleine s'étendant vers le haut sensiblement à vis-à-vis d'une fenêtre ménagée au 30 sein du dissipateur thermique. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que les parties respectivement inférieure et supérieure sont de forme sensiblement parallélépipédique. 7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement est agencé pour être en 35 2941562 -9 couplage thermique avec au moins un autre circuit intégré ou composant électronique source de chaleur. 8. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 5 qu'il comprend en outre des moyens de conversion thermoélectrique disposés de façon à être en couplage thermique avec le dissipateur thermique et prévus pour fournir de l'énergie électrique aux moyens de circulation du fluide de refroidissement. 10 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour rehausser le circuit intégré à refroidir par rapport à une carte mère à laquelle ledit circuit est électriquement connecté. 10. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour éclairer la partie supérieure de la puce et les moyens de visualisation. 11. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de filtrage coloré disposés sensiblement au dessus du caloduc. 12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de filtrage colorés sont thermosensibles et agencés pour procurer une information sur le niveau de température au niveau de la puce. 13. Procédé pour refroidir un circuit intégré incluant une puce (die), comprenant une circulation d'un fluide de refroidissement dans un caloduc en couplage thermique avec ladite puce source de chaleur et dans un dissipateur thermique agencé pour dissiper en convection naturelle la chaleur générée par ladite puce, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une visualisation du fluide de refroidissement lors de son passage au niveau de la dite puce.