Les Développements Matériaux pour les Applications des Centres de Données du Futur

L'intelligence artificielle générative (IA générative) est l'un des sujets les plus en vogue dans l'industrie technologique mondiale depuis 2022. Ce domaine de l'IA vise à produire des données ou des informations nouvelles qui imitent la sortie humaine, et sa montée en puissance a eu un impact considérable sur les centres de données et les réseaux. Cette évolution s'accompagne d'une demande accrue pour des solutions innovantes qui soutiennent l'amélioration de l'infrastructure des centres de données, notamment en matière de communications de données à haute vitesse et à large bande, d'énergie durable et fiable, ainsi que de nouveaux matériaux permettant de booster les capacités de calcul haute performance (HPC) dans un environnement piloté par l'IA.

En parallèle de cette avancée technologique, l'augmentation rapide de la demande en énergie pour les centres de données soulève des préoccupations. Selon un rapport récent sur la consommation d'énergie, la consommation d'électricité des centres de données pourrait doubler d'ici 2026, voire tripler d'ici 2030, par rapport aux niveaux de 2021. Cette tendance met en évidence la nécessité pour les centres de données hyperscalaires de garantir l'accès à des ressources énergétiques fiables et ininterrompues afin d'éviter les pannes. De nombreuses entreprises explorent des solutions énergétiques alternatives en collaboration avec des fournisseurs d'énergie pour répondre à la consommation croissante des infrastructures destinées à l'IA (processeurs, stockage de données, serveurs haute densité, systèmes de refroidissement avancés). Meta, rebaptisée de Facebook, a par exemple annoncé la construction de son 22e centre de données aux États-Unis, qui sera alimenté à 100 % par des énergies renouvelables. De plus, Intel et Bloom Energy, un fournisseur de piles à oxyde solide, ont dévoilé leur collaboration pour construire le plus grand centre de données HPC alimenté par piles à combustible à Silicon Valley. Parallèlement, l'énergie à hydrogène semble prometteuse pour alimenter les centres de données HPC tout en minimisant les émissions et l'impact environnemental.

Les avancées dans les technologies et matériaux permettant de répondre aux exigences de performance et de fiabilité des centres de données alimentés par l'IA comprennent des domaines tels que les interconnexions électro-optiques, les systèmes de refroidissement, les applications d'énergie durable, les alimentations sans coupure et la gestion des risques de corrosion. Ces développements ouvrent la voie à une meilleure optimisation des infrastructures et à des solutions plus écologiques et plus résilientes pour les centres de données du futur.

Les interconnexions optiques, en particulier, jouent un rôle clé dans la transformation des centres de données modernes. Comparées aux interconnexions cuivre, les communications optiques offrent une bande passante et une vitesse supérieures, ce qui est essentiel pour les longues distances de transmission de données. Bien que les applications optiques soient utilisées dans les centres de données depuis plusieurs années, leur développement est désormais au cœur des opérations de ces infrastructures. L'IA et la montée en puissance des centres de données de nouvelle génération imposent des exigences de plus en plus complexes pour l'infrastructure de communication. L'optique permet d'atteindre des performances supérieures en matière de transmission de données avec une consommation d'énergie réduite et une génération de chaleur limitée.

Dans ce cadre, le développement des systèmes d'interconnexion optiques dans les centres de données n'est plus une simple tendance, mais un impératif pour faire face aux exigences croissantes en matière de performance et d'efficacité. Les industries travaillent activement à l'intégration des solutions optiques dans des architectures de centres de données haute densité et à la mise en place de nouveaux standards pour faciliter leur déploiement à grande échelle.

Les matériaux nécessaires à ces développements doivent non seulement répondre à des critères stricts de performance, mais aussi être compatibles avec des technologies comme la photonique sur silicium, qui est utilisée pour réduire les coûts et améliorer l'efficacité énergétique. L'optimisation des matériaux pour le refroidissement et l'assemblage de composants à l'échelle des centres de données est également une priorité, car une gestion efficace de la chaleur est indispensable pour éviter les risques de défaillances dues à la surchauffe.

Quels sont les modes de défaillance potentiels dans les centres de données et leurs solutions possibles ?

Les centres de données sont soumis à des risques divers liés à des défaillances matérielles, souvent causées par des phénomènes tels que la corrosion, la contamination environnementale, les particules et la croissance des fils métalliques. Ces risques peuvent affecter gravement la fiabilité et la performance des équipements électroniques, un enjeu majeur pour les exploitants de centres de données. Une analyse approfondie des modes de défaillance possibles permet de mieux comprendre les risques et de développer des solutions adaptées.

L’un des modes de défaillance les plus courants dans les centres de données est la corrosion des composants électroniques. L’évolution de la miniaturisation des composants et de la densité de l’emballage a favorisé l’apparition de défaillances liées à la corrosion dans les applications électroniques des centres de données. Ce phénomène est principalement causé par des réactions chimiques et électrochimiques entre les réfrigérants et les surfaces en contact dans les systèmes de refroidissement des centres de données. La corrosion peut se manifester sous forme de couches de produits chimiques qui, en se formant sur les surfaces métalliques, réduisent l’efficacité du transfert thermique entre les interfaces. Par exemple, les plaques froides en cuivre sont particulièrement susceptibles à l’oxydation, même à température ambiante. Une étude sur un test accéléré d'un liquide de refroidissement en phase unique a révélé que la couche oxydée de cuivre, en interaction avec un mélange de propylène glycol et d’eau, peut provoquer une décoloration du fluide de refroidissement. Ce phénomène peut également entraîner une corrosion galvanique dans des matériaux tels que le cuivre et les alliages d’argent utilisés dans les joints brasés.

Pour évaluer la gravité de la corrosion, plusieurs études ont mis en place des tests de résistance en exposant des échantillons de cuivre et d’argent pur à l'environnement spécifique des centres de données pendant un mois, mesurant ensuite le taux de corrosion ainsi que la concentration des polluants aéroportés. Des méthodes de test, comme le test des "Fleurs de Soufre" (FOS) développé par l’iNEMI, sont utilisées pour qualifier la robustesse des PCB face à la corrosion par creep. Ce test met en évidence l'importance de la contamination par le sel, souvent présente sous forme de particules fines similaires au PM2.5, dans le processus de corrosion.

Les centres de données situés dans des environnements tropicaux marins, soumis à des conditions de chaleur et d'humidité élevées, sont confrontés à des défis supplémentaires. Une étude réalisée dans la province de Hainan, en Chine, a examiné le comportement de la corrosion des PCB dans des conditions extrêmes, notamment une concentration élevée en ions Cl- et la présence de micro-organismes. Après trois mois d’exposition extérieure, l'analyse SEM a montré que la surface des PCB en cuivre non protégé avait subi une corrosion sévère, suivie de près par les PCB ENIG, tandis que les PCB en ImAg restaient presque intacts.

Un autre problème majeur pour les centres de données est la croissance des fils métalliques (whiskers) en zinc. Ces filaments, qui se forment à la surface des objets électroplaqués avec du zinc, sont particulièrement problématiques dans les structures métalliques des planchers surélevés et des supports. Lorsqu'ils se détachent, ces whiskers peuvent se déplacer dans l'air, se déposer sur les composants électroniques et provoquer des courts-circuits ou d’autres défaillances électriques. Des études sur la microscopie électronique (SEM) ont montré que ces whiskers se développent principalement dans les zones sous les tuiles de sol, où le zinc est utilisé comme revêtement anticorrosion.

En conclusion, la gestion de la corrosion, des particules et des whiskers métalliques dans les centres de données nécessite une approche proactive. Les tests et les méthodes de prévention doivent être intégrés dès la conception des équipements, en tenant compte des environnements spécifiques et des risques potentiels liés à la pollution, à l’humidité et à la température. L’évolution rapide de la miniaturisation des composants et des matériaux exige une vigilance continue afin de préserver la performance et la fiabilité des systèmes.

Comment garantir la fiabilité des composants passifs et des matériaux d’interface thermique dans les modules mémoire et les SSD ?

La fiabilité des composants passifs et actifs dans les dispositifs de mémoire de type SSD et modules DRAM est aujourd’hui une exigence incontournable, notamment dans les applications automobiles et industrielles. Cette exigence se traduit par le respect des normes telles que l’AEC-Q200 pour les passifs et la JESD47 pour l’évaluation de la robustesse globale. L’analyse préalable aux phases d’assemblage impose l’identification rigoureuse des mécanismes de défaillance potentiels ainsi que des solutions correctives spécifiques.

L’introduction de nouveaux fournisseurs de condensateurs, de nouveaux sites de fabrication, ou encore la qualification de nouveaux types de MLCC inférieurs à la taille 0201 nécessite une qualification complète. Les changements de processus de fabrication, comme l’épaisseur du placage, la longueur des bornes, les variations dimensionnelles ou les méthodes de placage (dipping vs sputtering), modifient les propriétés physiques de ces composants et affectent directement leur fiabilité.

Dans le cas des microfissures, le décalage du coefficient de dilatation thermique entre la céramique du condensateur et le substrat induit des contraintes internes, exacerbées lors des cycles de température. La fragilité relative de l’état ferroélectrique à température ambiante par rapport à l’état paraélectrique renforce cette vulnérabilité. Les contraintes résiduelles liées au processus de métallisation ou aux finitions terminaux jouent un rôle majeur dans l’apparition des fissures durant les tests de fiabilité thermique.

Les défaillances liées à la non-mouillabilité (non-wetting) sont quant à elles principalement causées par un design de stencil inadapté, une ouverture insuffisante du pad ou une mauvaise gestion du profil thermique. L’optimisation du type de pâte à braser ainsi que de la température de refusion est essentielle pour garantir une adhésion correcte.

En ce qui concerne les matériaux d’interface thermique (TIM) et les matériaux thermiques applicables par dépose (DTIM), leur rôle dans la gestion thermique des SSD est crucial, notamment au niveau des composants NAND et du contrôleur. Une attention particulière est portée à la stabilité à long terme et à l’absence de saignement d’huile (oil bleeding), phénomène particulièrement problématique dans les environnements à forte humidité et température élevée. Les essais de vieillissement accéléré (HAST) permettent de caractériser la fiabilité de ces nouveaux composés, notamment les formulations bicomposants développées récemment.

La sélection des matériaux DTIM repose sur des critères précis : perte de masse limitée à haute température, viscosité stable avant et après dépose, absence de résidus solides ou d’éléments cosmétiquement visibles, bonne homogénéité de ligne de collage, et surtout, compatibilité avec les exigences thermiques des environnements datacenter et grand public. Une analyse thermique par TGA permet d’identifier la dégradation thermique au-delà de 300 °C avec des pertes massiques inférieures à 2 %, critère indispensable pour valider une formulation DTIM.

Il est essentiel de comprendre que la gestion thermique ne se limite pas à la seule dissipation. Elle est intrinsèquement liée à la mécanique du système et à l'intégrité des interconnexions. La fiabilité du système final ne dépend donc pas uniquement des caractéristiques intrinsèques des matériaux, mais aussi de leur interaction avec le design global du PCB, des pads, des composants voisins, et du profil de refusion.

Quelle est l'influence des propriétés des matériaux électroniques sur la fiabilité de l'emballage pour les applications de refroidissement par immersion ?

Le refroidissement par immersion est une solution technologique de plus en plus utilisée dans les systèmes électroniques avancés, notamment dans les applications liées à l'informatique quantique et à la mémoire cryogénique. Cette approche permet de dissiper efficacement la chaleur générée par les composants électroniques tout en préservant leur stabilité thermique. Toutefois, l’utilisation de fluides diélectriques dans les chambres de refroidissement par immersion pose des défis uniques en termes de compatibilité des matériaux. Il est essentiel de comprendre comment les propriétés des matériaux, notamment leur stabilité chimique et leur comportement thermomécanique, influencent la fiabilité de l'emballage dans ces systèmes.

Pour les matériaux utilisés dans les processus de sous-remplissage (UF), comme le remplissage des coins, la stabilité chimique et un faible coefficient de dilatation thermique (CTE) sont primordiaux. Un CTE bas minimise le risque de déformation des composants et améliore la fiabilité du système à long terme. La viscosité des matériaux pour le sous-remplissage doit également être adéquate pour garantir une couverture uniforme et un rendement élevé durant le processus.

Dans le cadre de la cryogénie, où des températures aussi basses que -55 °C à +125 °C sont couramment utilisées, la fiabilité de l’emballage et des soudures des modules électroniques devient particulièrement critique. Les tests de fiabilité sont nécessaires pour s'assurer que les composants résistent aux cycles thermiques extrêmes sans fissures ni déformations. Des méthodes standardisées, telles que le test de résistance d’isolation de surface (SIR) et le test de chromatographie ionique, sont utilisés pour évaluer la compatibilité des matériaux avec les fluides de refroidissement diélectriques. Ces tests mesurent, par exemple, la capacité des matériaux à supporter une exposition prolongée aux fluides sans perdre leur intégrité mécanique ni générer de corrosion électrochimique.

Les tests de fiabilité des modules d’emballage, comme les tests de flexion et de vibration, ainsi que les tests de choc, sont des étapes cruciales dans l’évaluation de la robustesse des modules pour des applications cryogéniques. Ces tests permettent de simuler les conditions réelles dans lesquelles les composants seront utilisés, garantissant leur performance et leur longévité.

Une autre dimension importante est l'évaluation de la compatibilité des matériaux avec les fluides diélectriques, en particulier leur capacité à absorber ces fluides sans compromettre leur intégrité. Des tests comme le test Soxhlet, qui permet d'évaluer l’absorption et l'extraction des fluides sous des conditions de reflux atmosphérique, offrent des données précieuses sur le comportement des matériaux au contact des fluides de refroidissement.

Il est également essentiel de considérer l'impact de l'intégration des matériaux à l’échelle des systèmes. Les progrès en matière de réduction de la taille des composants et d'intégration hétérogène joueront un rôle clé dans le développement de solutions plus compactes et plus performantes. En effet, la miniaturisation et l'intégration de nouvelles technologies permettront de surmonter les défis liés à la fiabilité des emballages et à la gestion thermique dans les systèmes à immersion.