Le composite cuivre / nanofibres de carbone

Abstract

Cu/CNF (Carbon Nano Fiber) composite materials can be used as heat sink in power electronic devices. They can substitute Copper by combining a high thermal conductivity and a coefficient of thermal expansion close to the printed circuit one (alumina or aluminum nitride). After studying the properties of Copper matrix and CNF, three methods were set up for the elaboration of the Cu/CNF composite materials. It was first synthesized by a simple powder metallurgy process. Second, in order to obtain a better homogeneity, CNF were individually coated with Cu by an electroless deposition method. Third, an original technique involving the decomposition of a metallic salt has been used. Measurements of the density, the thermal properties (conductivity and dilatation), and the characterization of the microstructure of the composite materials have been performed. It reveals the complexity of the realization of such a composite. Indeed, the dispersion of CNF and the chemical nature of the Cu/CNF interfaces have to be controlled in order to reach the desired thermal properties. Analytical and numerical simulations have been conducted and correlated with the experimental results to predict final properties of our materials.

Le matériau composite Cu/NFC (Nano Fibre de Carbone) peut être utilisé en tant que drain thermique par les industriels de l'électronique de puissance. En remplacement du cuivre, il doit combiner une conductivité thermique élevée et un coefficient de dilatation thermique adapté à celui de la céramique du circuit imprimé (alumine ou nitrure d’aluminium). Après avoir étudié les propriétés de la matrice cuivre et des NFC, plusieurs méthodes de synthèse du composite Cu/NFC ont été développées. Le composite a tout d’abord été élaboré par métallurgie des poudres. Puis, dans le but d’améliorer l’homogénéité, il a été envisagé de revêtir individuellement chaque NFC par du cuivre déposé par voie chimique electroless ainsi que par une méthode originale de décomposition d’un sel métallique. Des mesures de densité et de propriétés thermiques (conductivité et dilatation) ainsi que les caractérisations microstructurales de ces matériaux montrent la complexité de l’élaboration d’un tel composite. En effet, la dispersion des nanofibres, la nature des interfaces fibres/matrice et surtout les phénomènes thermiques à l’échelle nanométrique sont autant de paramètres à contrôler afin d’obtenir les propriétés recherchées. La simulation numérique et analytique, qui a été mise en oeuvre en parallèle a été corrélée aux résultats expérimentaux, afin de prédire les propriétés finales de nos matériaux.