EP4427265A1 - Chambre à vapeur - Google Patents

Chambre à vapeur

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Publication number
EP4427265A1
EP4427265A1 EP22805882.2A EP22805882A EP4427265A1 EP 4427265 A1 EP4427265 A1 EP 4427265A1 EP 22805882 A EP22805882 A EP 22805882A EP 4427265 A1 EP4427265 A1 EP 4427265A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
substrates
cavity
fluid
trade name
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22805882.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Quentin Struss
Amrid AMNACHE
Jean-Philippe Colonna
Perceval Coudrain
Luc Frechette
Rajesh PANDIYAN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SOCPRA Sciences et Genie SEC
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
SOCPRA Sciences et Genie SEC
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SOCPRA Sciences et Genie SEC, Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical SOCPRA Sciences et Genie SEC
Publication of EP4427265A1 publication Critical patent/EP4427265A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B25/00—Annealing glass products
    • C03B25/02—Annealing glass products in a discontinuous way
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2029—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant with phase change in electronic enclosures
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/01—Manufacture or treatment
    • H10W40/03—Manufacture or treatment of arrangements for cooling
    • H10W40/037—Assembling together parts thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/70—Fillings or auxiliary members in containers or in encapsulations for thermal protection or control
    • H10W40/73—Fillings or auxiliary members in containers or in encapsulations for thermal protection or control for cooling by change of state

Definitions

  • This description relates generally to the cooling of systems, such as mechanical systems or electronic systems. More specifically, the description concerns a cooling device of the “steam chamber” type and its method of manufacture.
  • cooling devices such as air conditioning systems, heat pipes, vapor chambers, etc. It is common to associate a cooling device with a system susceptible to overheating by positioning it close to a hot spot of this system.
  • One embodiment overcomes all or part of the drawbacks of known vapor chambers.
  • One embodiment overcomes all or part of the drawbacks of known methods of manufacturing vapor chambers.
  • said compartment is a vapor chamber, and the fluid is a cooling fluid.
  • the method further comprises a first step of degassing said first and second substrates carried out before the filling step.
  • the first degassing step is hot degassing.
  • the method further comprises a second step of degassing the environment of said first and second substrates carried out after the filling step.
  • the first and second substrates are brought close together to limit the evaporation of the fluid.
  • At least one second cavity is formed from the second face of the second substrate.
  • the positioning step comprises aligning said at least one second cavity with said at least one first cavity.
  • said at least one first cavity is filled with a volume of cooling fluid greater than the volume of said at least one first cavity.
  • the first substrate and the second substrate are made of a semiconductor material, silicon, or glass.
  • the semiconductor material comprises silicon.
  • the annealing is carried out at a temperature of between about 175 and about 400°C.
  • the annealing is carried out at a temperature of the order of 200°C.
  • the pressure of said first and second substrates is carried out with a force of between 0.5 and 2 kN.
  • the cooling fluid is chosen from the non-exhaustive group comprising: water, helium, hydrogen, oxygen, nitrogen, sulphide, neon, argon, methane, krypton, mercury, ammonia, acetone, ethane, pentane, heptane, ethanol, methanol, ethylene glycol, toluene, naphthalene, trichlorofluoromethane, dichlorofluoromethane (CHC1L2F, also known under the trade name Freon 21), chlorodifluoromethane (CHC1F2, also known under the trade name Freon 22), 1, 1, 2-Trichloro-1, 2, 2-trichloroethane (C2C13F3, also known under the trade name Freon 113), the fluid known under the trade name Flutec PP2, the fluid known under the trade name Flutec PP9, the fluid known under the trade name Dowtherm, the fluid known under the trade name Novec, and derivatives and mixtures of
  • Another embodiment provides a vapor chamber fabricated using the method previously described.
  • Another embodiment provides an apparatus adapted to implement the method described above.
  • the apparatus is adapted to simultaneously perform annealing and pressing of the first substrate and of the second substrate against each other with a force of between 0.5 and 2 kN.
  • Figure 1 shows a sectional and functional view, schematic, of a vapor chamber associated with an electronic device
  • Figure 2 shows a schematic sectional view of an embodiment of a substrate used for the manufacture of vapor chambers
  • Figure 3 shows a schematic sectional view of an embodiment of vapor chambers using the substrate of Figure 2;
  • Figure 4 shows two sectional views, schematic and partially in the form of blocks, of a device used for the manufacture of the vapor chambers of Figure 2;
  • Figure 5 shows a sectional view illustrating the positioning of the substrate of Figure 2 in the system of Figure 4;
  • FIG. 6 represents a block diagram illustrating steps of an embodiment of a method for manufacturing the vapor chambers of FIG. 2;
  • FIG. 7 represents four sectional views illustrating an example of a method for bonding two substrates that can be used in the method of FIG. 6;
  • Figure 8 shows a sectional view of a cavity with which a variant of the method of Figure 6 can be implemented
  • Figure 9 schematically shows a sectional view of another cavity with which a variant of the method of Figure 6 can be implemented.
  • Figure 10 schematically shows a sectional view of a micro-battery with which a variant of the method of Figure 6 can be implemented.
  • Figure 1 is a sectional, functional and schematic view of an electronic system 100 comprising a vapor chamber 150.
  • the electronic system 100 is mounted on a substrate
  • the substrate 200 is, for example, a solid substrate, or a printed circuit board, etc.
  • the electronic system 100 is composed of an electronic device 120 and the vapor chamber 150.
  • the electronic device 120 is arbitrary, and can comprise one or more components, one or more circuits, for example one or more printed circuits, etc. These components are represented, in FIG. 1, by a layer 121.
  • the device 120 also comprises at least one hot spot 123, that is to say a zone capable of giving off high heat, or a zone liable to overheat.
  • This hot spot 123 can correspond to part of a component, an entire component, a set of components, a conductor, etc.
  • the hot spot 123 is represented, in FIG. 1, by a block 123.
  • the vapor chamber 150 includes a cavity 151 formed in a substrate 153.
  • the cavity 151 is filled with a fluid 155 cooling.
  • On the walls of the cavity 151 is arranged a structure 157 of return by capillarity.
  • the vapor chamber 150 is arranged to help cool the hot spot 123 of the device 120.
  • a lower face 158 of the cavity 151 is positioned against the hot spot 123 of the electronic device 120, this face is called evaporator.
  • An upper face 159 of the electronic device 120, opposite face 158, is called a condenser.
  • the upper face 159 can be attached to a heat sink not shown in Figure 1.
  • the operation of the steam chamber 150 is as follows. At rest, that is to say when the hot spot 123 does not release heat, the fluid 155 is in equilibrium between its gaseous phase, or vapor phase, and its liquid phase. When the hot spot 123 produces heat, the fluid 155 directly close to the hot spot 123 evaporates, and creates a movement of vapor within the cavity 151. More particularly, the fluid 155 in the vapor phase moves away from the face 158, for example by going towards the face 159, which is symbolized, in FIG. 1, by an arrow F1. Once the fluid 155 in the vapor phase reaches the face 159 of the cavity, it meets the structure 157 back by capillarity and condenses back to its liquid phase.
  • Figure 2 is a sectional view of one embodiment of a substrate 300.
  • the substrate 300 is, for example, a semiconductor material, such as a material comprising silicon. According to a variant, the substrate 300 can be made of glass.
  • the substrate 300 is intended for the manufacture of vapor chambers, and has undergone various preparation operations for this manufacture.
  • cavities 301 are formed from an upper face 303 of substrate 300.
  • Each cavity 301 is intended to form, totally or in part, the cavity of a vapor chamber of the chamber type. vapor described in relation to FIG. 1.
  • the cavities 301 can be obtained by various masking and etching processes.
  • capillary return structures 305 are formed in the bottom of the cavities 301.
  • the capillary return structures 305 are also on the side walls of the cavities 301.
  • the structure 305 return by capillarity is a structure called "wick" which can comprise porous structures such as grooves or metal foams, such as copper foams having pores of minimum dimension of the order of 1 ⁇ m.
  • the capillary return structure can be a porous structure made from a substrate, for example copper or silicon, in which are formed grooves, for example of width of the order of 1 ⁇ m to 1 mm, and/or columns, for example of a width of the order of 1 ⁇ m to 1 mm.
  • the substrate 300 may have a thickness E of between 200 and 300 ⁇ m, for example of the order of 225 ⁇ m. According to one example, the substrate may have been thinned to have such a thickness.
  • the cavities 301 can have a depth P of between 50 and 100 ⁇ m, for example of the order of 75 ⁇ m.
  • Figure 3 is a sectional view of an embodiment of a system 400 comprising steam chambers 401. More particularly, the system 400 comprises, in Figure 3, four steam chambers 401 identical to the variations of manufacturing close.
  • the system 400 is formed from two similar substrates 403 and 405 and of the type of substrate 300 described in relation to FIG. 2.
  • each substrate 403, 405 comprises cavities formed from one of its faces .
  • the cavities of the substrates 403 and 405 are filled with a cooling fluid 407 then the substrates 403 and 405 are assembled together by a bonding process. More particularly, the two faces from which the cavities of the substrates 403 and 405 extend are glued, and the cavities of the substrates 403 and 405 are aligned.
  • Each enclosure formed by the connection of a cavity of the substrate 403 and a cavity of the substrate 405 is intended to form a vapor chamber.
  • the filling and bonding processes used to form system 400 are described in more detail in connection with Figures 4 through 6.
  • the cooling fluid 407 is chosen from the non-exhaustive group comprising: water, helium, hydrogen, oxygen, nitrogen, sulphide, neon , argon, methane, krypton, mercury, ammonia (NH3), acetone (C3H6O), 1 ethane
  • C2H6 pentane (C5H12), heptane (C7H16), ethanol (C2H5OH), methanol (CH3OH), ethylene glycol (C2H6O2), toluene (C7H8), naphthalene (C10H8), trichlorofluoromethane (CC13F, also known under the trade name Freon 11), dichlorofluoromethane (CHC12F, also known under the trade name Freon 21), chlorodifluoromethane (CHC1F2, also known under the trade name Freon 22), 1 , 1, 2-Trichloro-1, 2, 2-trifluoroethane (C2C3F3, also known under the trade name Freon 113), the fluid known under the trade name Flutec PP2, the fluid known under the trade name Flutec PP9, the fluid known under the trade name Dowtherm, the fluid known under the trade name Novec, and derivatives and mixtures of these fluids.
  • flutec PP2 the
  • the substrates 403 and 405 can have cavities of different depths. According to another embodiment variant, one of the two substrates 403 or 405 may not include any cavities.
  • Figure 4 show two views (a) and (b) in section of an apparatus 500 that can be used for the manufacture of the system of Figure 3. Views (a) and (b) illustrate two different positions of the 500 device.
  • the device 500 comprises a base 501 comprising an enclosure 503 covered by a cover 505.
  • the dimensions of the enclosure 503 are large enough for it to be able to contain at least one system of the type of system 400 described in relation to FIG. 3.
  • the cover 505 makes it possible to hermetically close the enclosure 503.
  • the lid 505 is attached to base 501 by an attachment means 507.
  • the attachment means 507 is an articulated arm adapted to cause the lid 505 to pivot with respect to the base 501.
  • the views (a) and (b) illustrate two examples of the position of the lid 505. More particularly, view (a) of FIG. 4 illustrates the case where the lid 505 is closed, and view (b) illustrates the case where the lid 505 is open.
  • the device 500 further comprises a support 509 placed in the enclosure 503, and a support 511 fixed to the cover 505.
  • the supports 509 and 511 are adapted to receive all types of substrates, such as substrates of the type of the substrate 300 described in relation to FIG. 2.
  • the supports 509 and 511 comprise attachment means, not shown in FIG. 4, making it possible to grip a substrate.
  • These attachment means are, for example, mechanical attachment means such as hooks, an adhesive layer deposited on the surface of the support 509, 511, vacuum suction, etc.
  • the lateral position and the position in height of the supports 509 and 511, relative to, respectively, the enclosure 503 and the cover 505, are adjustable by means not shown in FIG. 4.
  • the supports 509 and 511 are also suitable for applying pressure, for example with a force less than or equal to 2 kN.
  • the device 500 further comprises a device 513 (DEGAS) adapted to create a vacuum in the enclosure 503 once the lid 505 is in the closed position (view (a)).
  • the device 513 is connected to the enclosure by a duct 515 formed in the base 501.
  • the device 513 is a vacuum pump, for example, associated with a cold trap.
  • line 515 can be connected to device 513 via a sealed valve.
  • conduit 515 can be connected to one or more other gas transmission and/or treatment devices.
  • the device 500 further comprises heating means, not shown in Figure 4, suitable for performing thermal annealing in the enclosure 503.
  • Figure 5 is a sectional view illustrating the placement of the two substrates 403 and 405 on the supports 509 and 511 of the device 500 described in relation to Figure 4.
  • the cover 505 is placed in the open position described in relation to the view (b) of Figure 4.
  • the substrate 403 is positioned on the support 509. More particularly, the lower face 523 of the substrate 403 is placed against the support 509. The substrate 403 is held against the support 509 by means of the attachment means of the support 509. Similarly, the substrate 405 is positioned on the support 511, and more particularly, its lower face 525 is placed against the support 511. The substrate 405 is held against the support 511 by means of the hooking means of the support 511.
  • Figure 6 is a block diagram illustrating an embodiment of a filling and bonding process leading to the formation of the system 400 of Figure 3.
  • the system 400 consists of two substrates 403 and 405 of the type of the substrate 300 described in relation to FIG. 2.
  • the apparatus 500 described in connection with Figures 4 and 5 is used.
  • the substrates 403 and 405 are positioned on the supports 509 and
  • the cover 505 of the device 500 is open.
  • the substrate 403 is fixed on the support 509 and the substrate 405 is fixed on the support 511.
  • the lateral and height positions of the supports 509 and 511 are modified to align the substrates 403 and 405.
  • the cover 505 of the device 500 is closed. so as to position the supports 509 and 511 parallel to each other, and facing each other.
  • This position of apparatus 500 is described in connection with view (a) of Figure 4.
  • Substrates 403 and 405 are considered aligned once the cavity openings of substrates 403 and 405 are aligned with each other. others to obtain a structure of the type of the system 400 described in relation to FIG. 4.
  • the substrates 403 and 405 are only aligned and are not brought into contact.
  • the substrates 403 and 405 are degassed, for example hot degassing.
  • Degassing the substrates 403 and 405 makes it possible to remove gaseous chemical species that can be absorbed by the material of the substrates 403 and 405. These chemical species could make the bonding of the two substrates 403 and 405 less effective.
  • the lid 505 hermetically closes the enclosure 503 of the device 500.
  • the device 513 suitable for creating a vacuum in the enclosure 503 and the heating means of the enclosure 503 are started. Indeed, a degassing of this type is carried out at high temperature, for example at a temperature between 100 and 200°C.
  • a first method of filling consists of opening the lid 505 of the device 500, then unitary or common filling of the cavities with a volume of cooling fluid greater than the volume of cooling fluid necessary for the operation of the chamber. steamed.
  • a unitary filling of the cavities can be achieved by using a filling device such as a syringe or a micro-syringe whose dimensions are adapted to the dimensions of the cavities.
  • Common filling of the cavities can be achieved by using a filling device consisting, for example, of several syringes or micro-syringes arranged in parallel. In this process, the cooling fluid is introduced into its liquid phase after having been degassed.
  • a second filling method that can be used is similar to the first method, but differs therefrom in that the cooling fluid is placed in the cavities in its solid phase after having been previously purified and degassed.
  • a third filling method that can be used is similar to the first and second methods, but differs therefrom in that the cooling fluid is placed in the cavities in the form of a hydrogel after having been previously purified and degassed.
  • a hydrogel is a gel in which water is used as a swelling agent, a gel being a network of solid elements diluted in a solvent.
  • the substrates 403 and 405 are brought close to each other without being brought into contact.
  • the position in height of the supports 509 and 511 of the device is modified. More particularly, the substrates 403 and 405 are arranged as close as possible according to the adjustment of the supports 509 and 511.
  • the enclosure 503 of the device 500 is degassed. For this, the cover 505 hermetically closes the enclosure 503, and the gases present are evacuated via the conduit 515 by the device 513.
  • the substrates having been positioned as close as possible to each other, the fluid coolant placed in their cavity cannot evaporate completely.
  • a reservoir comprising the cooling fluid is placed in the enclosure 503, for example during the filling step of step 607, to make it possible to saturate the atmosphere of the enclosure with the cooling fluid. In this case, it is not necessary to create a vacuum in the enclosure 503.
  • the substrates 403 and 405 are brought into contact by adjusting the position in height of the supports 509 and 511.
  • the substrates 403 and 405 can be, initially, spaced apart by a small distance, for example order of 1 mm, then brought into contact quickly.
  • a call for air towards the outside of the cavities makes it possible to eliminate the last residual gases trapped in the cavities.
  • the substrates 403 and 405 are glued together to form the system 400 described in relation to FIG. 3.
  • the substrates 403 and 405 are mechanically pressed together.
  • annealing is carried out in enclosure 503.
  • the use of annealing during bonding makes it possible to consolidate the bond between the two substrates 403, 405 by forming covalent bonds between the chemical elements of the materials.
  • the pressure force applied to the two substrates and the annealing temperature are to be determined according to the material of the substrates 403 and 405 and the nature of the cooling fluid 407 used. According to an example, when the substrates 403 and 405 are made of silicon and the cooling fluid is water:
  • the pressure force applied to the two substrates 403 and 405 is less than 2 kN, for example between 0.5 and 2 kN;
  • the annealing is carried out at a temperature between 175 and 400°C, for example 200°C.
  • FIG. 7 presents in more detail an embodiment of a bonding of the Gold-Gold (Au-Au) type used to bond the substrates 403 and 405.
  • gluing process is finished, and the manufacturing process of the system 400 is finished.
  • the steam chambers 401 of the system can be individualized, for example by sawing.
  • An advantage of the mode of implementation described in relation to FIG. 6 is that it makes it possible to form vapor chambers directly filled with cooling fluid, hermetically closed and without a fragile zone due to an external filling process, such as , for example, a filling made by forming an access hole to the cavity.
  • Another advantage of the process described here is that it makes it possible to form a strong bond between the two substrates, since it achieves a bonding implementing, simultaneously, an annealing and a pressing of the substrates one against the other. other.
  • Figure 7 shows, schematically, two views (a), (b), (c), and (d) in section illustrating steps of implementation of a bonding process of the Gold-Gold (Au-Au) type of two substrates 701 and 702.
  • a bonding of the gold-gold (Au-Au) type is generally used to bond two faces of two substrates, for example silicon semiconductor substrates.
  • the substrates 701 and 702 considered here are of the same type as the substrates 403 and 405 described in relation to FIG. 3, and more particularly made of the same material as the substrates 403 and 405.
  • the substrate 701 comprises a cavity 703 formed from its upper face 704. No cavity is formed in the substrate 702, one of the faces 705 of which is intended to be glued to the upper face 704 of substrate 701, so as to close cavity 703.
  • a cavity may be present in substrate 702.
  • the view (a) represents a step of deoxidation of the substrate 701.
  • the substrate 701 is placed in the presence of a deoxidation solution, for example a solution of hydrogen fluoride (HF).
  • a deoxidation solution for example a solution of hydrogen fluoride (HF).
  • View (a) further represents a step of depositing a bonding layer 707 on the upper face 704 of the substrate 701.
  • the bonding layer 707 is, for example, a titanium layer deposited by evaporation.
  • the tie layer 707 has a thickness of between 1 and 10 nm, for example of the order of 5 nm.
  • View (a) also shows a step of depositing a layer of gold (Au) 709 by evaporation.
  • the layer of gold 709 has a thickness comprised between 10 and 20 nm, for example of the order of 15 nm.
  • the thicknesses of layers 707 and 709 are not shown to scale in Figure 7.
  • the steps shown in view (a) are, in parallel, also applied to the substrate 702, and more particularly its face 705. The application of these steps to the substrate 702 is not shown in FIG. 7.
  • the view (b) represents a step of filling the cavity 703 of the substrate 701 with a filling fluid 711.
  • the filling fluid 711 is for example a cooling fluid of the type of the cooling fluid 407 described in relation with Figure 3.
  • the view (b) also represents a step of positioning the substrate 702 on the substrate 701.
  • the substrate 702 is positioned on the substrate 701 so as to have their faces 704 and 705 facing each other, and more particularly the layers of gold that cover them facing each other.
  • the substrates 701 and 702 are separated by removable spacers 713 and are therefore not in direct contact.
  • the spacers 713 are razor blades, having a thickness of the order of 100 ⁇ m.
  • the view (c) represents a vacuum step of the assembly composed of the substrates 701 and 702 so as to evacuate the last non-condensable gases present in the cavity 703.
  • the substrate 702 being made of a relatively flexible material, like silicon, it bends. According to one example, during this step under vacuum the temperature is always equal to the ambient temperature.
  • View (c) also represents a step of applying a vertical force, symbolized by the arrow F5 in view (c), allowing the layers of gold deposited on the faces 704 and 705 of the substrates 701 and 702 to come into contact at certain points. Spacers 713 are still retained. This step corresponds in part to the implementation of step 615 described in relation to FIG. 6.
  • View (d) represents a step for finalizing the bonding, the bonding having started to operate at the level of the application of the force F5, it propagates to the lateral ends of the substrates 701 and 702 and the spacers are removed, for example manually. A rest step is then implemented before the implementation of a final anneal. Substrates 701 and 702 are hermetically bonded. This step corresponds in part to the implementation of step 615 described in relation to FIG. 6.
  • FIG. 8 represents a very schematic sectional view of a general example of a compartment 800 which can be hermetically or semi-hermetically sealed in the manner described above.
  • the compartment 800 is, like the steam chambers 401 described in relation to FIG. 3, formed from two plates 801 and 802 glued hermetically or semi-hermetically to one another.
  • a cavity 803 is formed from a face of at least one of the two plates 801 or 802. In FIG. 8, the two plates have cavities 803 brought face to face during the bonding process.
  • the plates 801 and 802 are semiconductor substrates, for example made of silicon, or glass substrates.
  • FIG. 9 represents a schematic perspective view of a variant 900 of the compartment 800 in which the cavities 803 have a porous membrane as their bottom 901 allowing an exchange between the encapsulated fluid and the external environment.
  • Such a compartment 900 can be used to implement a medical or paramedical device, such as a bio-capsule.
  • FIG. 10 represents a very schematic sectional view of a battery 1000 that can be obtained using the methods of FIGS. 6 and 7.
  • battery 1000 is a microbattery.
  • the battery 1000 is formed from two substrates 1001 and 1002.
  • the substrate 1001 two twin cavities 1003 and 1004 are formed connected by a trench 1005.
  • the substrate 1002 is bonded to the substrate 1001 so as to close the cavities 1003 and 1004 and trench 1005.
  • cavity 1003 is the anode of battery 1000
  • cavity 1004 is the cathode of battery 1000.
  • the cavity 1003 is filled by:
  • the third layer 1008 overflows from the cavity 1003, into the trench 1005 and into the cavity 1004.
  • the cavity 1004 is filled by:
  • the bonding of the substrates 1001 and 1002, and the filling of the cavities 1003 and 1004 can be carried out by a method similar to those described in relation to FIGS. 6 and 7.

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Abstract

La présente description concerne un procédé de fabrication d'un compartiment rempli d'un fluide et scellé comprenant les étapes suivantes : (a) former au moins une première cavité à partir d'une première face d'un premier substrat; (b) positionner une deuxième face d'un deuxième substrat en regard de la première face dudit premier substrat; (c) remplir au moins partiellement ladite au moins une première cavité avec un fluide; (d) coller ladite première face dudit premier substrat à ladite deuxième face dudit deuxième substrat en effectuant un recuit et en pressant, simultanément, lesdits premier et deuxième substrats l'un contre l'autre.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Chambre à vapeur
Domaine technique
[0001] La présente description concerne de façon générale le refroidissement de systèmes, comme des systèmes mécaniques ou des systèmes électroniques. De façon plus particulière, la description concerne un dispositif de refroidissement de type "chambre à vapeur" et son procédé de fabrication.
Technique antérieure
[0002] Beaucoup de systèmes, comme les systèmes mécaniques ou les systèmes électroniques, peuvent être sujets à des phénomènes de surchauffe susceptibles de les endommager ou d'endommager l'environnement dans lequel ils fonctionnent. Un moyen efficace de contrer les phénomènes de surchauffe est l'utilisation de dispositifs de refroidissement.
[0003] Il existe plusieurs types de dispositifs de refroidissement comme les systèmes de climatisation, les caloducs, les chambres à vapeur, etc. Il est courant d'associer un dispositif de refroidissement à un système susceptible de surchauffe en le positionnant proche d'un point chaud de ce système.
[0004] Il serait souhaitable de pouvoir améliorer, au moins en partie, les inconvénients des dispositifs de refroidissement existants et de leurs procédés de fabrication
Résumé de l'invention
[0005] Il existe un besoin pour des dispositifs de refroidissement plus performants.
[0006] Il existe un besoin pour des chambres à vapeur plus performantes .
[0007] Il existe un besoin pour des procédés de fabrication de dispositifs de refroidissement plus performants. [0008] Il existe un besoin pour des procédés de fabrication de chambres à vapeur mieux adaptés à la fabrication en série de chambres à vapeur.
[0009] Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des chambres à vapeur connus.
[0010] Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des procédés de fabrication connus de chambres à vapeur.
[0011] Un mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication d'un compartiment rempli d'un fluide et scellé comprenant les étapes suivantes :
(a) former au moins une première cavité à partir d'une première face d'un premier substrat ;
(b) positionner une deuxième face d'un deuxième substrat en regard de la première face dudit premier substrat ;
(c) remplir au moins partiellement ladite au moins une première cavité avec un fluide ;
(d) coller ladite première face dudit premier substrat à ladite deuxième face dudit deuxième substrat en effectuant un recuit et en pressant, simultanément, lesdits premier et deuxième substrats l'un contre l'autre.
[0012] Selon un mode de réalisation, ledit compartiment est une chambre à vapeur, et le fluide est un fluide de refroidissement .
[0013] Selon un mode de réalisation , le procédé comprend, en outre, une première étape de dégazage desdits premier et deuxième substrats effectuée avant l'étape de remplissage.
[0014] Selon un mode de réalisation, la première étape de dégazage est un dégazage à chaud.
[0015] Selon un mode de réalisation , le procédé comprend, en outre, une deuxième étape de dégazage de l'environnement desdits premier et deuxième substrats effectuée après l'étape de remplissage.
[0016] Selon un mode de réalisation, pendant la deuxième étape de dégazage, les premier et deuxième substrats sont approchés l'un de l'autre pour limiter l'évaporation du fluide.
[0017] Selon un mode de réalisation, au moins une deuxième cavité est formée à partir de la deuxième face du deuxième substrat .
[0018] Selon un mode de réalisation, l'étape de positionnement comprend l'alignement de ladite au moins une deuxième cavité avec ladite au moins une première cavité.
[0019] Selon un mode de réalisation, pendant l'étape de remplissage ladite au moins une première cavité est remplie avec un volume de fluide de refroidissement supérieure au volume de ladite au moins une première cavité.
[0020] Selon un mode de réalisation, le premier substrat et le deuxième substrat sont en un matériau semiconducteur, en silicium, ou en verre.
[0021] Selon un mode de réalisation, le matériau semiconducteur comprend du silicium.
[0022] Selon un mode de réalisation, le recuit est effectué à une température comprise entre environ 175 et environ 400 °C.
[0023] Selon un mode de réalisation, le recuit est effectué à une température de l'ordre de 200 °C.
[0024] Selon un mode de réalisation, la pression desdits premier et deuxième substrats est effectuée avec une force comprise entre 0,5 et 2 kN.
[0025] Selon un mode de réalisation, le fluide de refroidissement est choisi parmi le groupe, non exhaustif, comprenant : l'eau, l'hélium, l'hydrogène, l'oxygène, l'azote, le sulfure, le néon, l'argon, le méthane, le krypton, le mercure, l'ammoniaque, l'acétone, l'éthane, le pentane, 1 'heptane, l'éthanol, le méthanol, l'éthylène glycol, le toluène, le naphtalène, le trichlorof luorométhane , le dichlorof luorométhane (CHC1L2F, aussi connu sous la dénomination commerciale Fréon 21) , le chlorodif luorométhane (CHC1F2, aussi connu sous la dénomination commerciale Fréon 22) , le 1 , 1 , 2-Trichloro-l , 2 , 2-trif luoroéthane (C2C13F3, aussi connu sous la dénomination commerciale Freon 113) , le fluide connu sous la dénomination commerciale Flutec PP2, le fluide connu sous la dénomination commerciale Flutec PP9, le fluide connu sous la dénomination commerciale Dowtherm, le fluide connu sous la dénomination commerciale Novec, et les dérivés et mélanges de ces fluides.
[0026] Un autre mode de réalisation prévoit une chambre à vapeur fabriquée en utilisant le procédé décrit précédemment.
[0027] Un autre mode de réalisation prévoit un appareil adapté à mettre en oeuvre le procédé décrit précédemment.
[0028] Selon un mode de réalisation, l'appareil est adapté à effectuer simultanément un recuit et une pression du premier substrat et du deuxième substrat l'un contre l'autre avec une force comprise entre 0,5 et 2 kN.
Brève description des dessins
[0029] Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
[0030] la figure 1 représente une vue en coupe et fonctionnelle, schématique, d'une chambre à vapeur associée à un dispositif électronique ;
[0031] la figure 2 représente une vue en coupe, schématique, d'un mode de réalisation d'un substrat utilisé pour la fabrication de chambres à vapeur ; [0032] la figure 3 représente une vue en coupe, schématique, d'un mode de réalisation de chambres à vapeur utilisant le substrat de la figure 2 ;
[0033] la figure 4 représente deux vues en coupe, schématique et partiellement sous forme de blocs, d'un dispositif utilisé pour la fabrication des chambres à vapeur de la figure 2 ;
[0034] la figure 5 représente une vue en coupe illustrant le positionnement du substrat de la figure 2 dans le système de la figure 4 ;
[0035] la figure 6 représente un schéma bloc illustrant des étapes d'un mode de mise en oeuvre d'un procédé de fabrication des chambres à vapeur de la figure 2 ;
[0036] la figure 7 représente quatre vues en coupe illustrant un exemple de procédé de collage de deux substrats pouvant être utilisés dans le procédé de la figure 6 ;
[0037] la figure 8 représente une vue en coupe d'une cavité avec laquelle peut être mise en oeuvre une variante du procédé de la figure 6 ;
[0038] la figure 9 représente, schématiquement, une vue en coupe d'une autre cavité avec laquelle peut être mise en oeuvre une variante du procédé de la figure 6 ; et
[0039] la figure 10 représente, schématiquement, une vue en coupe d'une micro-batterie avec laquelle peut être mise en oeuvre une variante du procédé de la figure 6.
Description des modes de réalisation
[0040] De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques. [0041] Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés.
[0042] Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés (en anglais "coupled") entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments.
[0043] Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures.
[0044] Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
[0045] La figure 1 est une vue en coupe, fonctionnelle et schématique d'un système électronique 100 comprenant une chambre à vapeur 150.
[0046] Le système électronique 100 est monté sur un substrat
200, par exemple, par l'intermédiaire de billes de connexion
201. Le substrat 200 est, par exemple, un substrat massif, ou une carte de circuit imprimé, etc.
[0047] Le système électronique 100 est composé d'un dispositif électronique 120 et de la chambre à vapeur 150.
[0048] Le dispositif électronique 120 est quelconque, et peut comprendre un ou plusieurs composants, un ou plusieurs circuits, par exemple un ou plusieurs circuits imprimés, etc. Ces composants sont représentés, en figure 1, par une couche 121. Le dispositif 120 comprend, en outre, au moins un point chaud 123, c'est-à-dire une zone susceptible de dégager une forte chaleur, ou une zone susceptible de surchauffer. Ce point chaud 123 peut correspondre à une partie d'un composant, un composant entier, un ensemble de composants, un conducteur, etc. Le point chaud 123 est représenté, en figure 1, par un bloc 123.
[0049] La chambre à vapeur 150 comprend une cavité 151 formée dans un substrat 153. La cavité 151 est remplie d'un fluide 155 de refroidissement. Sur les parois de la cavité 151 est disposée une structure 157 de retour par capillarité.
[0050] La chambre à vapeur 150 est disposée de façon à aider au refroidissement du point chaud 123 du dispositif 120. Ainsi, une face inférieure 158 de la cavité 151 est positionnée contre le point chaud 123 du dispositif électronique 120, cette face est appelée évaporateur. Une face supérieure 159 du dispositif électronique 120, opposée à la face 158, est appelée condenseur. La face supérieure 159 peut être accolée à un dissipateur thermique non représenté en figure 1.
[0051] Le fonctionnement de la chambre à vapeur 150 est le suivant. Au repos, c'est-à-dire lorsque le point chaud 123 ne dégage pas de chaleur, le fluide 155 est à l'équilibre entre sa phase gazeuse, ou phase vapeur, et sa phase liquide. Lorsque le point chaud 123 produit de la chaleur, le fluide 155 directement proche du point chaud 123 s'évapore, et crée un mouvement de vapeur au sein de la cavité 151. Plus particulièrement, le fluide 155 en phase vapeur s'éloigne de la face 158, par exemple en allant vers la face 159, ce qui est symbolisé, en figure 1, par une flèche Fl. Une fois que le fluide 155 en phase vapeur atteint la face 159 de la cavité, il rencontre la structure 157 de retour par capillarité et se condense pour reprendre sa phase liquide. La chaleur est ainsi libérée du côté du condenseur, par exemple dans un dissipateur thermique, ce phénomène est symbolisé par les flèches F2. La température du fluide 155 diminue alors et il retourne à sa position initiale, en suivant, par exemple, la direction des flèches F3.
[0052] La figure 2 est une vue en coupe d'un mode de réalisation d'un substrat 300. Le substrat 300 est, par exemple, en un matériau semiconducteur, comme un matériau comprenant du silicium. Selon une variante, le substrat 300 peut être en verre.
[0053] Le substrat 300 est destiné à la fabrication de chambres à vapeur, et a subi différentes opérations de préparation à cette fabrication.
[0054] Plus particulièrement, des cavités 301 sont formées à partir d'une face 303 supérieure du substrat 300. Chaque cavité 301 est destinée à former, totalement ou en partie, la cavité d'une chambre à vapeur du type de la chambre à vapeur décrite en relation avec la figure 1. Les cavités 301 peuvent être obtenues par divers procédés de masquage et de gravure.
[0055] De plus, des structures 305 de retour par capillarité sont formées dans le fond des cavités 301. Selon une variante, les structures 305 de retour par capillarité sont aussi sur les parois latérales des cavités 301. Selon un exemple, la structure 305 de retour par capillarité est une structure appelée "mèche" pouvant comprendre des structures poreuses comme des rainures ou des mousses métalliques, comme des mousses en cuivre ayant des pores de dimension minimales de l'ordre de 1 pm. Selon un exemple, la structure de retour par capillarité peut être une structure poreuse fabriquée à partir d'un substrat, par exemple en cuivre ou en silicium, dans lequel sont formées des rainures, par exemple de largeur de l'ordre de 1 pm à 1 mm, et/ou des colonnes, par exemple de largeur de l'ordre de 1 pm à 1 mm.
[0056] Selon un exemple de réalisation, le substrat 300 peut avoir une épaisseur E comprise entre 200 et 300 pm, par exemple de l'ordre de 225 pm. Selon un exemple, le substrat peut avoir été aminci pour présenter une telle épaisseur. Les cavités 301 peuvent avoir une profondeur P comprise entre 50 et 100 pm, par exemple de l'ordre de 75 pm. Ces dimensions ne sont qu'un exemple de réalisation, la personne du métier saura adapter ces dimensions à celles des chambres à vapeur à fabriquer .
[0057] La figure 3 est une vue en coupe d'un mode de réalisation d'un système 400 comprenant des chambres à vapeur 401. Plus particulièrement, le système 400 comprend, en figure 3, quatre chambres à vapeur 401 identiques aux variations de fabrication près.
[0058] Le système 400 est formé à partir de deux substrats 403 et 405 similaires et du type du substrat 300 décrit en relation avec la figure 2. Ainsi, chaque substrat 403, 405 comprend des cavités formées à partir d'une de ses faces. Pour former le système 400, les cavités des substrats 403 et 405 sont remplies d'un fluide de refroidissement 407 puis les substrats 403 et 405 sont assemblés l'un à l'autre par un procédé de collage. Plus particulièrement, les deux faces depuis lesquelles s'étendent les cavités des substrats 403 et 405 sont collées, et les cavités des substrats 403 et 405 sont alignées. Chaque enceinte formée par la liaison d'une cavité du substrat 403 et d'une cavité du substrat 405 est destinée à former une chambre à vapeur. Les procédés de remplissage et de collage utilisés pour former le système 400 sont décrits plus en détails en relation avec les figures 4 à 6. [0059] Selon un mode de réalisation, le fluide de refroidissement 407 est choisi parmi le groupe, non exhaustif, comprenant : l'eau, l'hélium, l'hydrogène, l'oxygène, l'azote, le sulfure, le néon, l'argon, le méthane, le krypton, le mercure, l'ammoniaque (NH3) , l'acétone (C3H6O) , 1 ' éthane
(C2H6) , le pentane (C5H12) , l'heptane (C7H16) , l'éthanol (C2H5OH) , le méthanol (CH3OH) , l'éthylène glycol (C2H6O2) , le toluène (C7H8) , le naphtalène (C10H8) , le trichlorof luorométhane (CC13F, aussi connu sous la dénomination commerciale Fréon 11) , le dichlorof luorométhane (CHC12F, aussi connu sous la dénomination commerciale Fréon 21) , le chlorodif luorométhane (CHC1F2, aussi connu sous la dénomination commerciale Fréon 22) , le 1 , 1 , 2-Trichloro-l , 2 , 2- trif luoroéthane (C2C3F3, aussi connu sous la dénomination commerciale Freon 113) , le fluide connu sous la dénomination commerciale Flutec PP2, le fluide connu sous la dénomination commerciale Flutec PP9, le fluide connu sous la dénomination commerciale Dowtherm, le fluide connu sous la dénomination commerciale Novec, et les dérivés et mélanges de ces fluides.
[0060] Selon une variante de réalisation, les substrats 403 et 405 peuvent avoir des cavités de profondeurs différentes. Selon une autre variante de réalisation, l'un des deux substrats 403 ou 405 peut ne pas comprendre de cavités.
[0061] La figure 4 représentent deux vues (a) et (b) en coupe d'un appareil 500 pouvant être utilisé pour la fabrication du système de la figure 3. Les vues (a) et (b) illustrent deux positions différentes de l'appareil 500.
[0062] L'appareil 500 comprend une base 501 comprenant une enceinte 503 couverte par un couvercle 505. Les dimensions de l'enceinte 503 sont assez grandes pour qu'elle puisse contenir au moins un système du type du système 400 décrit en relation avec la figure 3. Selon un mode de réalisation, le couvercle 505 permet de fermer hermétiquement l'enceinte 503. Le couvercle 505 est attaché à la base 501 par un moyen d'attache 507. Selon un exemple, le moyen d'attache 507 est un bras articulé adapté à faire pivoter le couvercle 505 par rapport à la base 501. Les vues (a) et (b) illustrent deux exemples de position du couvercle 505. Plus particulièrement, la vue (a) de la figure 4 illustre le cas où le couvercle 505 est fermé, et la vue (b) illustre le cas où le couvercle 505 est ouvert .
[0063] L'appareil 500 comprend, en outre, un support 509 disposé dans l'enceinte 503, et un support 511 fixé au couvercle 505. Les supports 509 et 511 sont adaptés à recevoir tous types de substrats, comme par exemple des substrats du type du substrat 300 décrit en relation avec la figure 2. Les supports 509 et 511 comprennent des moyens d' accroche, non représentés en figure 4, permettant d'agripper un substrat. Ces moyens d' accroche sont, par exemple, des moyens d' accroche mécanique comme des crochets, une couche adhésive déposée à la surface du support 509, 511, une aspiration sous vide etc. La position latérale et la position en hauteur des supports 509 et 511, par rapport à, respectivement, l'enceinte 503 et le couvercle 505, sont ajustables par des moyens non représentés en figure 4. Selon un mode de réalisation, les supports 509 et 511 sont, en outre, adaptés à appliquer une pression, par exemple avec une force inférieure ou égale à 2 kN.
[0064] L'appareil 500 comprend, en outre, un dispositif 513 (DEGAS) adapté à faire le vide dans l'enceinte 503 une fois que le couvercle 505 est en position fermée (vue (a) ) . Le dispositif 513 est relié à l'enceinte par un conduit 515 formé dans la base 501. Selon un exemple, le dispositif 513 est une pompe à vide, par exemple, associée à un piège à froid. Selon un exemple, la conduite 515 peut être reliée au dispositif 513 par l'intermédiaire d'une vanne étanche. Selon une variante, le conduit 515 peut être relié à un ou plusieurs autres dispositifs de transmission et/ou de traitement de gaz.
[0065] L'appareil 500 comprend, en outre, des moyens de chauffage, non représentés en figure 4, adapté à effectuer un recuit thermique dans l'enceinte 503.
[0066] La figure 5 est une vue en coupe illustrant le placement des deux substrats 403 et 405 sur les supports 509 et 511 de l'appareil 500 décrit en relation avec la figure 4.
[0067] Pour mettre en place les substrats 403 et 405 sur les supports 509 et 511 de l'appareil 500, le couvercle 505 est placé dans la position ouverte décrite en relation avec la vue (b) de la figure 4.
[0068] Le substrat 403 est positionné sur le support 509. Plus particulièrement, la face inférieure 523 du substrat 403 est disposée contre le support 509. Le substrat 403 est maintenu contre le support 509 par l'intermédiaire des moyens d' accroche du support 509. De même, le substrat 405 est positionné sur le support 511, et plus particulièrement, sa face inférieure 525 est disposée contre le support 511. Le substrat 405 est maintenu contre le support 511 par l'intermédiaire des moyens d' accroche du support 511.
[0069] La figure 6 est un schéma-bloc illustrant un mode de mise en oeuvre d'un procédé de remplissage et de collage conduisant à la formation du système 400 de la figure 3.
[0070] Comme décrit précédemment, le système 400 est constitué de deux substrats 403 et 405 du type du substrat 300 décrit en relation avec la figure 2. Pour mettre en oeuvre le procédé décrit en relation avec la figure 6, l'appareil 500 décrit en relation avec les figures 4 et 5 est utilisé.
[0071] A une étape 601, symbolisée par un bloc "POS", les substrats 403 et 405 sont positionnés sur les supports 509 et
511 de l'appareil 500, comme cela est décrit en relation avec la figure 5. Pour cela, le couvercle 505 de l'appareil 500 est ouvert. Selon un exemple, le substrat 403 est fixé sur le support 509 et le substrat 405 est fixé sur le support 511.
[0072] A une étape 603, symbolisée par un bloc "ALIGN", les positions latérale et en hauteur des supports 509 et 511 sont modifiées pour aligner les substrats 403 et 405. Pour cela, le couvercle 505 de l'appareil 500 est fermé de façon à positionner les supports 509 et 511 parallèle entre eux, et en regard l'un de l'autre. Cette position de l'appareil 500 est décrite en relation avec la vue (a) de la figure 4. On considère que les substrats 403 et 405 sont alignés une fois que les ouvertures des cavités des substrats 403 et 405 sont alignées les unes avec les autres pour obtenir une structure du type du système 400 décrit en relation avec la figure 4. A cette étape, les substrats 403 et 405 sont seulement alignés et ne sont pas mis en contact.
[0073] A une étape 605, symbolisée par un bloc "DEGAS 1", les substrats 403 et 405 sont dégazés, par exemple dégazés à chaud Dégazer les substrats 403 et 405 permet de retirer des espèces chimiques gazeuses pouvant être absorbées par le matériau des substrats 403 et 405. Ces espèces chimiques pourraient rendre le collage des deux substrats 403 et 405 moins efficace. Le couvercle 505 ferme hermétiquement l'enceinte 503 de l'appareil 500. Pour cette étape de dégazage, le dispositif 513 adapté à faire le vide dans l'enceinte 503 et les moyens de chauffage de l'enceinte 503 sont démarrés. En effet, un dégazage de ce type est effectué à haute température, par exemple à une température comprise entre 100 et 200 °C.
[0074] A une étape 607, symbolisée par un bloc "FILL", les cavités des substrats 403 et 405 sont remplies du fluide de refroidissement 407 décrit en relation avec la figure 3. Plusieurs procédés de remplissage différents peuvent être mis en oeuvre ici. [0075] Un premier procédé de remplissage consiste en l'ouverture du couvercle 505 de l'appareil 500, puis le remplissage unitaire ou commun des cavités avec un volume de fluide de refroidissement supérieur au volume de fluide de refroidissement nécessaire au fonctionnement de la chambre à la vapeur. Un remplissage unitaire des cavités peut être réalisé en utilisant un dispositif de remplissage comme une seringue ou une micro-seringue dont les dimensions sont adaptées aux dimensions des cavités. Un remplissage commun des cavités peut être réalisé en utilisant un dispositif de remplissage constitué, par exemple, de plusieurs seringues ou micro-seringues disposées en parallèle. Dans ce procédé, le fluide de refroidissement est introduit dans sa phase liquide après avoir été dégazé.
[0076] Un deuxième procédé de remplissage pouvant être utilisé est similaire au premier procédé, mais en diffère en ce que le fluide de refroidissement est disposé dans les cavités dans sa phase solide après avoir été préalablement purifié et dégazé.
[0077] Un troisième procédé de remplissage pouvant être utilisé est similaire aux premier et deuxième procédés, mais en diffère en ce que le fluide de refroidissement est disposé dans les cavités sous forme d'hydrogel après avoir été préalablement purifié et dégazé. Un hydrogel est un gel dans lequel l'eau est utilisée comme agent gonflant, un gel étant un réseau d'éléments solides dilué dans un solvant.
[0078] A une étape 609, symbolisée par un bloc "MOVE", les substrats 403 et 405 sont approchés l'un de l'autre sans être mis en contact. Pour cela, la position en hauteur des supports 509 et 511 de l'appareil est modifiée. Plus particulièrement, les substrats 403 et 405 sont disposés aussi proches que possible suivant l'ajustement des supports 509 et 511. [0079] A une étape 611, symbolisée par un bloc "DEGAS 2", un dégazage de l'enceinte 503 de l'appareil 500 est opéré. Pour cela, le couvercle 505 ferme hermétiquement l'enceinte 503, et les gaz présents sont évacués par l'intermédiaire du conduit 515 par le dispositif 513. Les substrats ayant été positionné le plus près possible l'un de l'autre, le fluide de refroidissement disposé dans leur cavité ne peut s'évaporer complètement .
[0080] Dans une variante de réalisation, un réservoir comprenant le fluide de refroidissement est placé dans l'enceinte 503, par exemple pendant l'étape de remplissage de l'étape 607, pour permettre de saturer l'atmosphère de l'enceinte avec le fluide de refroidissement. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire de faire le vide dans l'enceinte 503.
[0081] A une étape 613, symbolisée par un bloc "CONTACT", les substrats 403 et 405 sont mis en contact en ajustant la position en hauteur des supports 509 et 511.
[0082] Selon un mode de réalisation, pour permettre de dégazer les gaz résiduels dans les cavités des substrats 403 et 405, les substrats 403 et 405 peuvent être, dans un premier temps, espacés d'une faible distance, par exemple de l'ordre de 1 mm, puis mis en contact rapidement. Ainsi, un appel d'air vers l'extérieur des cavités permet d'éliminer les derniers gaz résiduels piégés dans les cavités.
[0083] A une étape 615, symbolisée par un bloc "BOND", les substrats 403 et 405 sont collés l'un à l'autre pour former le système 400 décrit en relation avec la figure 3. Pour cela, les substrats 403 et 405 sont pressés mécaniquement l'un contre l'autre. De plus, simultanément, un recuit est mis en oeuvre dans l'enceinte 503. L'utilisation d'un recuit pendant le collage permet de consolider la liaison entre les deux substrats 403, 405 en formant des liaisons covalentes entres les éléments chimiques des matériaux des substrats 403 et 405, ce qui n'est pas possible à basse température. La force de pression appliquée sur les deux substrats et la température du recuit sont à déterminer en fonction du matériau des substrats 403 et 405 et de la nature du fluide de refroidissement 407 utilisé. Selon un exemple, quand les substrats 403 et 405 sont en silicium et que le fluide de refroidissement est l'eau :
- la force de pression appliquée sur les deux substrats 403 et 405 est inférieure à 2 kN, par exemple comprise entre 0,5 et 2 kN ; et
- le recuit est réalisé à une température comprise entre 175 et 400 °C, par exemple de 200 °C.
[0084] La figure 7 présente plus en détail un exemple de réalisation d'un collage de type Or-Or (Au-Au) utilisé pour coller les substrats 403 et 405.
[0085] A une étape 617, symbolisée par un bloc "END", le procédé de collage est terminé, et le procédé de fabrication du système 400 est terminé. Les chambres à vapeur 401 du système peuvent être individualisées, par exemple par sciage.
[0086] Un avantage du mode de mise en oeuvre décrit en relation avec la figure 6 est qu'il permet de former des chambres à vapeur directement remplies de fluide de refroidissement fermées hermétiquement et sans zone fragile due à un procédé de remplissage externe, comme, par exemple, un remplissage réalisé en formant un trou d'accès à la cavité.
[0087] Un autre avantage du procédé décrit ici est qu'il permet de former un collage fort entre les deux substrats, puisqu'il réalise un collage mettant en oeuvre, simultanément, un recuit et un pressage des substrats l'un contre l'autre.
[0088] La figure 7 représente, de façon schématique, deux vues (a) , (b) , (c) , et (d) en coupe illustrant des étapes de mise en oeuvre d'un procédé de collage de type Or-Or (Au-Au) de deux substrats 701 et 702.
[0089] Un collage de type Or-Or (Au-Au) est généralement utilisée pour coller deux faces de deux substrats, par exemple des substrats semiconducteurs en silicium. Les substrats 701 et 702 considérés ici sont du même type que les substrats 403 et 405 décrits en relation avec la figure 3, et plus particulièrement en un même matériau que les substrats 403 et 405.
[0090] Dans l'exemple illustré en figure 7, le substrat 701 comprend une cavité 703 formée à partir de sa face supérieure 704. Aucune cavité n'est formée dans le substrat 702 dont une des faces 705 est destinée à être collée à la face supérieure 704 du substrat 701, de façon à fermer la cavité 703. Selon une variante de réalisation, une cavité peut être présente dans le substrat 702.
[0091] La vue (a) représente une étape de désoxydation du substrat 701. Pendant cette étape, le substrat 701 est mis en présence d'une solution de désoxydation, par exemple une solution de fluorure d'hydrogène (HF) .
[0092] La vue (a) représente, en outre, une étape de dépôt d'une couche d' accroche 707 sur la face supérieure 704 du substrat 701. La couche d' accroche 707 est, par exemple, une couche de titane déposée par évaporation. Selon un exemple, la couche d' accroche 707 a une épaisseur comprise entre 1 et 10 nm, par exemple de l'ordre de 5 nm.
[0093] La vue (a) représente, en outre, une étape de dépôt d'une couche d'or (Au) 709 par évaporation. Selon un exemple, la couche d'or 709 a une épaisseur comprise entre 10 et 20 nm, par exemple de l'ordre de 15 nm.
[0094] Les épaisseurs des couches 707 et 709 ne sont pas représentées à l'échelle en figure 7. [0095] Les étapes représentées en vue (a) sont, parallèlement, aussi appliquées au substrat 702, et plus particulièrement sa face 705. L'application de ces étapes au substrat 702 n'est pas représentée en figure 7.
[0096] La vue (b) représente, une étape de remplissage de la cavité 703 du substrat 701 avec un fluide de remplissage 711. Le fluide de remplissage 711 est par exemple un fluide de refroidissement du type du fluide de refroidissement 407 décrit en relation avec la figure 3.
[0097] La vue (b) représente, en outre, une étape de positionnement du substrat 702 sur le substrat 701. Le substrat 702 est positionné sur le substrat 701 de façon à avoir leurs faces 704 et 705 en regard, et plus particulièrement les couches d'or qui les recouvrent en regard l'une de l'autre. Par ailleurs, les substrats 701 et 702 sont séparés par des espaceurs 713 amovibles et ne sont donc pas en contact direct. Selon un exemple, les espaceurs 713 sont des lames de rasoirs, ayant une épaisseur de l'ordre de 100 pm.
[0098] La vue (c) représente une étape de mise sous vide de l'ensemble composé des substrats 701 et 702 de façon à évacuer les derniers gaz non condensables présents dans la cavité 703. Le substrat 702 étant en un matériau relativement flexible, comme le silicium, celui-ci se courbe. Selon un exemple, pendant cette étape sous vide la température est toujours égale à la température ambiante.
[0099] La vue (c) représente, en outre, une étape d'application d'une force verticale, symbolisée par la flèche F5 en vue (c) , permettant aux couches d'or déposées sur les faces 704 et 705 des substrats 701 et 702 d'entrer en contact en certains points. Les espaceurs 713 sont toujours conservés. Cette étape correspond en partie à la mise en oeuvre de l'étape 615 décrite en relation avec la figure 6. [0100] La vue (d) représente une étape de finalisation du collage, le collage ayant commencé à opérer au niveau de l'application de la force F5, il se propage jusqu'aux extrémités latérales des substrats 701 et 702 et les espaceurs sont retirés, par exemple manuellement. Une étape de repos est alors mise en oeuvre avant la mise en oeuvre d'un recuit final. Les substrats 701 et 702 sont collés hermétiquement. Cette étape correspond en partie à la mise en oeuvre de l'étape 615 décrite en relation avec la figure 6.
[0101] Les procédés présentés en relation avec les figures 6 et 7 sont décrits ici pour la réalisation d'une chambre à vapeur, mais ils peuvent être utilisés pour la réalisation plus générale de n'importe quel compartiment rempli d'un fluide et scellé hermétiquement. D'autres exemples de tels compartiment sont décrits en relation avec les figures 8 à 10.
[0102] La figure 8 représente une vue en coupe, très schématique, d'un exemple général d'un compartiment 800 pouvant être scellé hermétiquement ou semi-hermétiquement de la manière décrite précédemment.
[0103] Le compartiment 800 est, comme les chambres à vapeur 401 décrite en relation avec la figure 3, formé à partir de deux plaques 801 et 802 collées hermétiquement ou semi- hermétiquement l'une à l'autre. Une cavité 803 est formée à partir d'une face d'au moins une des deux plaques 801 ou 802. En figure 8, les deux plaques ont des cavités 803 mises en regard pendant le procédé de collage. Selon un exemple, les plaques 801 et 802 sont des substrats semiconducteurs, par exemple en silicium, ou des substrats en verre.
[0104] La figure 9 représente une vue en perspective, schématique, d'une variante 900 du compartiment 800 dans lequel les cavités 803 ont comme fond une membrane poreuse 901 permettant un échange entre le fluide encapsulé et l'environnement extérieur.
[0105] Un tel compartiment 900 peut être utilisé pour mettre en oeuvre un dispositif médical, ou paramédical, comme une bio-capsule .
[0106] La figure 10 représente une vue en coupe, très schématique, d'une batterie 1000 pouvant être obtenue en utilisant les procédés des figures 6 et 7. Selon un exemple, la batterie 1000 est une microbatterie.
[0107] La batterie 1000 est formée à partir de deux substrats 1001 et 1002. Dans le substrat 1001, sont formés deux cavités jumelles 1003 et 1004 reliée par une tranchée 1005. Le substrat 1002 est collé sur le substrat 1001 de façon à fermer les cavités 1003 et 1004 et la tranchée 1005.
[0108] Selon un exemple de réalisation, la cavité 1003 est l'anode de la batterie 1000, et la cavité 1004 est la cathode de la batterie 1000.
[0109] La cavité 1003 est remplie par :
- une première couche 1006 de matériaux formant une électrode ;
- une deuxième couche 1007 de matériaux formant l'anode de la batterie 1000 ; et
- une troisième couche 1008 de matériaux formant l'électrolyte de la batterie 1000.
[0110] La troisième couche 1008 déborde de la cavité 1003, dans la tranchée 1005 et dans la cavité 1004. Ainsi, la cavité 1004 est remplie par :
- une première couche 1009 de matériaux, par exemple identique à la couche 1006, formant une électrode ;
- une deuxième couche 1008 de matériaux formant la cathode de la batterie 1000 ; et - une troisième couche 1008 de matériaux formant l'électrolyte de la batterie 1000.
[0111] Le collage des substrats 1001 et 1002, et le remplissage des cavités 1003 et 1004 peut être réalisés par un procédé similaire à ceux décrits en relation avec les figures 6 et 7.
[0112] Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. La personne du métier comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d'autres variantes apparaîtront à la personne du métier. En particulier, l'appareil décrit en relation avec la figure 4 est un exemple d'appareil utilisé pour mettre en oeuvre le procédé de la figure 6, d'autres appareils connus de la personne du métier pourront être utilisés.
[0113] Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de la personne du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus.

Claims

REVENDICATIONS Procédé de fabrication d'un compartiment rempli d'un fluide et scellé (401 ; 800 ; 900 ; 1000) comprenant les étapes successives suivantes :
(a) former au moins une première cavité (301 ; 803 ; 1003, 1004) à partir d'une première face (303) d'un premier substrat (300 ; 403 ; 801 ; 1001) ;
(b) positionner une deuxième face d'un deuxième substrat (405 ; 802 ; 1002) en regard de la première face (303) dudit premier substrat (300 ; 403 ; 801 ; 1001) ;
(c) remplir (607) au moins partiellement ladite au moins une première cavité (301 ; 803 ; 1003, 1004) avec un fluide (407) ;
(d) coller (615) ladite première face (303) dudit premier substrat (300 ; 403 ; 801 ; 1001) à ladite deuxième face dudit deuxième substrat (405 ; 802 ; 1002) en effectuant un recuit et en pressant, simultanément, lesdits premier et deuxième substrats (303 ; 403, 405 ; 801, 802 ; 1001, 1002) l'un contre l'autre. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit compartiment est une chambre à vapeur, et le fluide est un fluide de refroidissement. Procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant, en outre, une première étape (e) de dégazage (605) desdits premier et deuxième substrats (303 ; 403, 405) effectuée avant l'étape (c) de remplissage (607) . Procédé selon la revendication 3, dans lequel la première étape (e) de dégazage est un dégazage à chaud. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant, en outre, une deuxième étape (f) de dégazage (611) de l'environnement desdits premier et deuxième substrats (403, 405) effectuée après l'étape (c) de remplissage (607) . Procédé selon la revendication 5, dans lequel, pendant la deuxième étape (f) de dégazage, les premier et deuxième substrats (403, 405) sont approchés l'un de l'autre pour limiter l'évaporation du fluide (407) . Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel au moins une deuxième cavité est formée à partir de la deuxième face du deuxième substrat (405) . Procédé selon la revendication 7, dans lequel l'étape (b) de positionnement comprend l'alignement (603) de ladite au moins une deuxième cavité avec ladite au moins une première cavité ( 301 ) . Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel, pendant l'étape (c) de remplissage (607) ladite au moins une première cavité (301) est remplie avec un volume de fluide de refroidissement (407) supérieure au volume de ladite au moins une première cavité (301) . . Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le premier substrat (300 ; 403 ; 801 ; 1001) et le deuxième substrat (405 ; 802 ; 1002) sont en un matériau semiconducteur, en silicium, ou en verre. . Procédé selon la revendication 10, dans lequel le matériau semiconducteur comprend du silicium. . Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel le recuit est effectué à une température comprise entre environ 175 et environ 400 °C. . Procédé selon la revendication 12, dans lequel le recuit est effectué à une température de l'ordre de 200 °C. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à
13, dans lequel la pression desdits premier et deuxième substrats (403, 405) est effectuée avec une force comprise entre 0,5 et 2 kN. . Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 14, dans lequel le fluide de refroidissement (407) est choisi parmi le groupe, non exhaustif, comprenant : l'eau, l'hélium, l'hydrogène, l'oxygène, l'azote, le sulfure, le néon, l'argon, le méthane, le krypton, le mercure, l'ammoniaque (NH3) , l'acétone (C3H6O) , 1 ' éthane (C2H6) , le pentane (C5H12) , l'heptane (C7H16) , l'éthanol (C2H5OH) , le méthanol (CH3OH) , l'éthylène glycol (C2H6O2) , le toluène (C7H8) , le naphtalène (C10H8) , le trichlorof luorométhane (CC1L3F, aussi connu sous la dénomination commerciale Fréon 11) , le dichlorof luorométhane (CHC1L2F, aussi connu sous la dénomination commerciale Fréon 21) , le chlorodif luorométhane (CHC1F2, aussi connu sous la dénomination commerciale Fréon 22) , le 1 , 1 , 2-Trichloro- 1 , 2 , 2-trif luoroéthane (C2C13F3, aussi connu sous la dénomination commerciale Freon 113) , le fluide connu sous la dénomination commerciale Flutec PP2, le fluide connu sous la dénomination commerciale Flutec PP9, le fluide connu sous la dénomination commerciale Dowtherm, le fluide connu sous la dénomination commerciale Novec, et les dérivés et mélanges de ces fluides. Chambre à vapeur (401) fabriquée en utilisant le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 15. Appareil adapté à mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 15. Appareil selon la revendication 17, adapté à effectuer simultanément un recuit et une pression du premier substrat et du deuxième substrat l'un contre l'autre avec une force comprise entre 0,5 et 2 kN.
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