Elaboration, caractérisation et nouvelle architecture de matériaux composites Al/plaquettes de carbone pour des applications thermiques

Abstract

Dans l'industrie microélectronique, l'augmentation constante de la densité de puissance due à la miniaturisation des composants électroniques nécessite un matériau de dissipation thermique ayant une conductivité thermique élevée (CT), un faible coefficient de dilatation thermique (CTE) et des propriétés mécaniques (PM) appropriées pour une dissipation efficace de la chaleur. Des métaux purs, tels que Al et Cu, ont déjà été utilisés. Cependant, ils ont des CT limitées (ex. 240 W/m.K pour Al) et leurs CTE sont trop élevés (ex. 23 10-6/K pour Al), ce qui est incompatible avec ceux des composants électroniques (ex. 4 10-6/K pour Si), conduisant à une défaillance en service due à la fatigue thermique. À cet égard, les composites à matrice métallique se sont révélés être un matériau prometteur. Les matériaux en carbone, comme le graphite, le diamant et la fibre de carbone, ayant été introduits comme renforts en raison de leurs excellentes propriétés thermiques (c'est-à-dire un CT très élevé et un faible CTE) dans une matrice Al. Dans ces travaux de thèse, des matériaux composites à matrice en Al renforcé par des plaquettes de graphite peu coûteuses et facilement usinables (ci-après appelé composite Al/Gf) ont été développés dans le but de maximiser le CT, d'adapter le CTE proche de 6 10-6/K, ainsi que d'améliorer les PM.La CT intrinsèque du Gf est hautement anisotrope, c'est-à-dire 1000 W/m.K dans le plan et 5-10 W/m.K hors du plan. Il est donc clair que la bonne orientation de Gf dans la matrice d'Al assure un CT élevée, dans la direction du plan du graphite, ainsi qu’à l’échelle du matériau produit dans cette même direction. Dans cette étude, un procédé de remplissage des poudres étape par étape, a été appliquée avec succès afin d’obtenir cet arrangement 1D conventionnel. Ainsi, les valeurs de CT théoriques prévues les plus élevées peuvent être atteintes expérimentalement. En outre, les matériaux composites 2D et 3D de Gf ont été élaborés à l'aide de pistons spécialement conçus afin d'adapter le CTE anisotrope des Gf (c'est-à-dire -1 10-6/K dans le plan et 28 10-6/K hors plan). La structure 2D permet de réduire la CTE, qui est alors compatible avec celui du matériau du substrat (voisin de 8 10-6/K), tout en maintenant une CT élevée. Enfin, les efforts ont été consacrés à renforcer la matrice Al en intégrant des nanoparticules dispersées (ex-situ) de SiC et (in-situ) de TiB2 pour améliorer les PM globales du composite Al/Gf.