Le MIT développe une méthode de mesure thermique par rayons X ultrarapides pour observer le transfert de chaleur dans les structures multicouches des puces

Des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont développé une nouvelle méthode pour observer la transmission de la chaleur dans les matériaux multicouches, permettant de mesurer avec précision les variations de flux thermique à l'intérieur de dispositifs électroniques tels que les puces informatiques. Les résultats de ces travaux ont été publiés dans *Nature Communications*.

À mesure que la taille des puces informatiques ne cesse de diminuer et que leur densité de puissance augmente, la surchauffe des dispositifs devient un facteur majeur limitant l'amélioration des performances. Les méthodes traditionnelles de mesure du flux thermique présentent des limites face aux structures multicouches des dispositifs électroniques réels : par exemple, la méthode de réflectométrie thermique dans le domaine temporel, couramment utilisée, peine à distinguer le transport thermique dans les différentes couches de matériaux, et des techniques comme l'imagerie infrarouge ne parviennent pas à capturer les variations rapides à des échelles minuscules.

Pour résoudre ce problème, l'équipe de recherche a combiné des impulsions laser avec des rayons X ultrarapides : le laser sert à chauffer l'échantillon, tandis que les rayons X traversent les multiples couches de matériaux et effectuent un balayage, enregistrant les changements internes du matériau pendant la diffusion de la chaleur grâce à des signaux tels que la diffraction. Les chercheurs indiquent que cette méthode permet d'observer la distribution du flux thermique à des échelles extrêmement réduites, facilitant l'analyse directe de l'impact des interfaces et des défauts sur la dissipation thermique.

L'équipe a appliqué cette technique à un dispositif de test composé d'un substrat de silicium et d'une couche de nitrure de gallium. Le nitrure de gallium, en raison de son bon potentiel de conductivité thermique, est considéré comme adapté aux transistors et aux dispositifs électroniques flexibles. Les expériences ont révélé que les défauts de plissement à l'échelle micrométrique dans le dispositif affaiblissent considérablement la capacité de dissipation thermique locale : la conductivité thermique au niveau des défauts est réduite d'environ quatre fois, et la capacité globale de dissipation thermique du matériau diminue d'environ 25 %. Les recherches ont également montré que ce type de défauts entraîne une différence directionnelle dans la diffusion de la chaleur, le flux thermique ayant tendance à se propager préférentiellement dans une direction spécifique.

Les chercheurs estiment que cette découverte indique que, lors de la simulation de la dissipation thermique des dispositifs électroniques, le recours au seul modèle de « cristal idéal sans défaut » pourrait ne pas suffire à refléter la réalité. En observant directement l'impact des micro-défauts sur le flux thermique, cette méthode peut fournir une base expérimentale pour la conception thermique des puces, l'optimisation des structures de dispositifs et le développement de produits électroniques à haute densité de puissance.

L'équipe de recherche indique que cette technique de mesure pourrait à l'avenir être étendue à davantage de matériaux et de systèmes de dispositifs, afin d'analyser les problèmes de dissipation thermique des dispositifs électroniques dans des applications telles que le calcul par intelligence artificielle, les appareils portables et les systèmes d'énergie propre. Ces travaux ont été partiellement financés par le Département de l'Énergie des États-Unis, la National Science Foundation et des programmes de la School of Engineering du MIT.