Brevet FR2667615A1 — publié le 19920410

MATERIAU DE BASE DE TYPE ALUMINIUM/FIBRES DE CARBONE POUR LE MONTAGE DE COMPOSANTS ELECTRONIQUES La présente invention concerne de façon générale des matériaux de base pour la fabrication d'un support, d'un substrat et d'un boîtier, en vue de l'utilisation dans un assemblage de composants électroniques. Un matériau de base pour le montage de composants électroniques doit avoir des propriétés physiques qui conviennent pour maintenir les performances et la fiabilité d'un assemblage de composants électroniques. En particulier, le matériau de base doit avoir de préférence un coefficient de dilatation thermique (qu'on désigne ci-après CDT) aussi proche que possible de celui (6 - 8 x 10 6/oC) d'un semiconducteur, à titre de composant électronique, et d'un matériau de conditionnement de semiconducteur. En outre, il est souhaitable que le matériau de base soit léger. On a utilisé habituellement l'aluminium et un alliage d'aluminium ayant une faible masse volumique (environ 2,7 g/cm3) à titre de matériaux appropriés, en ce qui concerne le poids. Cependant, ces matériaux métalliques ont un CDT (23 x 10 / C) supérieur à celui de matériaux semiconducteurs. Il en résulte que des contraintes thermiques qui sont induites entre un dispositif à semiconducteurs et un boîtier formé à partir des matériaux métalliques, pourraient occasionner des fissures ou une séparation dans la partie de joint du dispositif, conduisant à une connexion électrique défectueuse du dispositif à semiconducteurs, un détachement des composants, une déconnexion d'interconnexions, etc. Les assemblages de composants électroniques qui utilisent de tels matériaux métalliques n'ont pas une fiabilité satisfaisante à des températures de fonctionnement extrêmes. On a utilisé de façon caractéristique le Kovar, qui est un acier à haute teneur en nickel, pour éliminer ces défauts. Le Kovar empêche effectivement la génération de contraintes thermiques, du fait que son CDT (environ 6 x 10 6/oC) est inférieur à celui de l'aluminium. Cependant, la masse volumique élevée (8,0 g/cm3) du Kovar conduit à une augmentation du poids d'assemblages de composants électroniques. Dans les circonstances décrites ci-dessus, on a développé des composites à matrice métallique (qu'on appelle ci-après CMM) consistant en une matrice en alliage d'aluminium renforcée par des particules de carbure de silicium, pour des applications de conditionnement de circuits micro-ondes et des applications semblables (Electronic Packaging and Production, août 1987, pages 27-29; Proceedings of the 1st International SAMPE Electronics Conference, 23-25 juin 1987, pages 452-462; Proceedings of the 3rd International SAMPE Electronics Conference 20-22 juin 1989, pages 1068-1077. Un CMM est plus léger que le Kovar, dans un rapport d'au moins 60%, et il a un CDT inférieur à celui de l'aluminium ou d'un alliage d'aluminium. Cependant, le carbure de silicium qui est contenu dans un CMM rend le traitement mécanique plus difficile, ce qui augmente son coût. De plus, avec une masse volumique d'environ 2,9 g/cm3, le carbure de silicium augmente le poids de l'assemblage davantage que l'aluminium ou un alliage d'aluminium. L'aluminium renforcé par des fibres de graphite (Gr/Al), avec des fibres disposées de manière croisée, a été développé pour des dispositifs à micro-ondes (Proceedings of the îst International SAMPE Electronics Conference 23-25 juin 1987, pages 452-462). Le Grf/Al a un faible CDT et une faible masse volumique. Cependant, le Grf/Al a une faible résistance mécanique dans une direction perpendiculaire à la direction d'empilement des fibres. Au cours du traitement mécanique, des fibres en couches croisées se décollent dans de nombreux cas. Il est nécessaire de réduire la vitesse de traitement pour empêcher le décollement. Lorsque le décollement se produit, la surface sur laquelle il se produit doit être abrasée. Une configuration de fibres de graphites avec des couches croisées exige de tricoter des fibres de liaison pour fabriquer des étoffes qui doivent être empilées. Un tel processus conduit à une faible productivité pour des matériaux de base. De plus, avec des étoffes empilées avec une fraction de volume particulièrement faible, il n'est pas possible d'obtenir un matériau composite homogène, à cause de la difficulté que l'on rencontre pour faire coîncider les fractions de volume dans la pile entière. Un but de la présente invention est de procurer un matériau de base ayant des propriétés physiques plus préférables, pour améliorer les performances et la fiabilité d'assemblages de composants électroniques. L'invention a plus précisément pour but de procurer un matériau de base ayant une faible masse volumique et un CDT proche de celui de l'aluminium ou d'un alliage d'aluminium, et que l'on puisse fabriquer aisément sans défauts tels qu'un détachement. L'invention procure un matériau de base pour le montage de composants électroniques, qui comprend une matrice consistant essentiellement en aluminium ou en un alliage d'aluminium, et des fibres de carbone disposées dans la matrice, de façon à être réparties en couches dans une direction fixée, et de façon à être disposées d'une manière pratiquement aléatoire dans des directions approximativement perpendiculaires à la direction fixée, avec une fraction de volume de 0,15 à 0,55. Des fibres de carbone disposées de façon à être réparties en couches dans la direction fixée et orientées de façon aléatoire dans les directions qui lui sont perpendiculaires, peuvent présenter un CDT inférieur à celui d'autres configurations. De plus, les directions perpendiculaires forment un plan sur lequel des fibres de carbone sont disposées de façon aléatoire. La disposition aléatoire donne des propriétés physiques homogènes dans toutes les directions du plan. Un tel plan est le plus préférable pour le montage de composants électroniques. En outre, la disposition aléatoire empêche le décollement qui se manifeste dans le Grf/Al au moment du traitement du matériau de base. De plus, le matériau de base avec 15-55% en volume de fibres de carbone, peut présenter un CDT plus proche du CDT d'un matériau constituant un composant électronique, tel qu une puce de silicium. Le matériau de base conforme à l'invention utilise de préférence des fibres de carbone relativement courtes. Par exemple, le rapport de forme moyen (longueur de la fibre/diamètre de la fibre) d'une fibre de carbone est de préférence dans la plage de 10 à 500. Le rapport de forme est plus préférablement dans la plage de 30 à 80. Le diamètre de la fibre est par exemple dans la plage de 5 à 15 pm. Un rapport de forme dans cette plage permet d'obtenir aisément la disposition correspondant à des fibres de carbone orientées de façon aléatoire dans les directions approximativement perpendiculaires à la direction fixée. Au contraire, un rapport de forme moyen inférieur à 10 ou supérieur à 500 rend difficile l'obtention de la configuration aléatoire, dans deux dimensions, de fibres de carbone. Dans ce cas, le matériau de base a un CDT relativement élevé. Le matériau de base conforme à l'invention est plus léger qu'un matériau de base classique, du fait que les fibres de carbone ont une masse volumique inférieure à celle de l'aluminium. A titre d'exemple, on peut fabriquer le matériau de base conforme à la présente invention de façon qu'il ait une masse volumique comprise entre 2,4 et 2,6 g/cm3. Un tel matériau de base léger permet de réaliser des assemblages plus légers que les assemblages classiques. Une fibre de carbone a une très faible dureté en comparaison avec SiC. De plus, le matériau de base contenant des fibres de carbone a une ductilité inférieure à celle du matériau de base formé seulement par de l'aluminium ou un alliage d'aluminium. De ce fait, l'aluminium ou un alliage d'aluminium renforcé par des fibres de carbone se prête mieux à la fabrication que des matériaux classiques. Plus le module élastique de fibres de carbone est élevé, plus la fraction de volume des fibres de carbone pour obtenir un CDT donné est faible. Il est préférable d'utiliser une fibre de carbone ayant un module élastique aussi élevé que possible. Cependant, l'augmentation du module élastique implique une augmentation du coût des fibres. Il est donc nécessaire de sélectionner un module élastique approprié en prenant le coût en considération. A titre d'exemple, un module élastique préférable est dans la plage de 3,5 GPa à 9 GPa. La qualité d'une fibre de carbone est déterminée par la matière première et par le procédé de fabrication. Pour obtenir un module élastique élevé, on utilise par exemple une fibre de carbone à base de PAN et une fibre de carbone à base de goudron. Bien que ces fibres aient différentes structures et matériaux constitutifs, il y a peu de différence de propriétés physiques entre des matériaux de base utilisant des fibres qui ont des modules élastiques similaires. On peut utiliser n'importe quelle sorte d'aluminium et d'alliage d'aluminium pour le matériau de matrice. Parmi les propriétés physiques importantes du matériau de base, le CDT et la masse volumique dépendent dans une large mesure des fibres de carbone, mais non du matériau de la matrice. Pour augmenter la conductivité thermique du matériau de base, il est préférable d'utiliser de l'aluminium aussi pur que possible. Parmi des matériaux à base d'aluminium pur utilisables dans l'invention, on peut citer les variétés suivantes, définies par les numéros de norme JIS (ou les numéros de norme des E.U.A.) : 1050, 1060, 1070, 1080, 1100 et 1200. Un tel aluminium pur pour l'utilisation industrielle donne des propriétés physiques pratiquement similaires pour les matériaux de base. Pour certaines utilisations du matériau de base, celui-ci doit supporter des conditions sévères, telles que des vibrations. Dans ce cas, pour améliorer les propriétés mécaniques au prix d'une diminution de la conductivité thermique, il est préférable d'utiliser un alliage d'aluminium ayant des propriétés mécaniques supérieures à celles de l'aluminium pur. Bien qu'on puisse utiliser n'importe quel alliage d'aluminium, il est possible de sélectionner un alliage parmi un groupe formé par des alliages d'aluminium basés sur les constituants suivants : Al-Cu, Al-Mn, Al-Si, Al-Mg, Al-Mg-Si et Al-Zn-Mg. On doit sélectionner un matériau ayant une conductivité thermique aussi élevée que possible, parmi ceux ayant la résistance mécanique exigée. De plus, l'alliage d'aluminium peut comprendre un matériau approprié capable de conférer au matériau de base d'excellentes propriétés au moins en ce qui concerne la résistance à la corrosion, la facilité de fabrication et la soudabilité. De plus, conformément à l'invention, on peut ajouter au matériau de base au moins des particules ou des trichites de carbure de silicium (SiC) ou de nitrure de silicium (Si3N4). Le matériau de base peut contenir au moins un matériau sélectionné dans le groupe comprenant des trichites d'alumine, de graphite, de titanate de potassium, de borate d'aluminium et d'oxyde de zinc. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La suite de la description se réfère aux dessins annexés dans lesquels La figure 1A est une photographie montrant une structure métal-fibres de carbone, qui résulte de l'observation au microscope optique d'une surface du matériau de base prévu pour le montage de composants électroniques, conforme à un mode de réalisation de l'invention. La figure 1B est une photographie montrant la structure que l'on observe dans un plan du matériau de base perpendiculaire à la surface qui est représentée sur la figure 1A. La figure 2 est une représentation graphique comparative de quatre types de matériau de base conformes à l'invention et de trois types de matériau de base classiques, en ce qui concerne le coefficient de dilatation thermique et la masse volumique. Les figures 3A-3J sont des schémas qui montrent un processus de fabrication d'un mode de réalisation préféré du matériau de base conforme à l'invention. Exemple 1 On a préparé des fibres de carbone à base de goudron ayant un module élastique moyen de 5,5 GPa, un diamètre moyen de 10 ,um et une longueur moyenne de 600 Fm. Le rapport de forme des fibres de carbone était de 60. Des fibres de carbone à base de goudron sont disponibles dans le commerce. En se référant à la figure 3A, on note qu'on a dispersé 440 g de fibres de carbone 1 dans 14,5 1 d'eau 3, en compagnie de 650 g de liant 2 (2% de fibres de cellulose dans de l'eau). On a agité soigneusement la dispersion pour éviter l'agrégation des fibres de carbone. On a ensuite filtré la dispersion par aspiration à travers un entonnoir 5, avec un papier filtre 4 placé au bas de l'entonnoir (figure 3B). Pendant la filtration, on a agité, en particulier en direction verticale, la dispersion se trouvant dans l'entonnoir. Au cours de la filtration par aspiration, les fibres de carbone se sont disposées de façon aléatoire dans une direction parallèle au papier filtre et se sont déposées sur ce papier.Ainsi, la filtration par aspiration réalise l'arrangement aléatoire de fibres de carbone qui est nécessaire pour obtenir un plan sur lequel seront montés des composants électroniques. Ensuite, on a placé dans un moule métallique 6 la masse formée par les fibres de carbone se trouvant sur le papier filtre, sans que cette masse ne perde sa forme, et on a appliqué à la masse de fibres une opération de moulage par compression (figure 3C). On a obtenu une préforme de fibres 7 ayant une fraction de volume désirée, en faisant varier la pression P (Mpa) qui est indiquée sur le dessin (figure 3D). Le Tableau 1 montre la pression P et les valeurs obtenues pour la fraction de volume et la taille d'une préforme de fibres de forme cylindrique qui est obtenue. On a obtenu une fraction de volume de 0,1 en l'absence de moulage par compression (ce qui est indiqué par P = 0 dans le Tableau 1). Il a été très difficile d'obtenir une fraction de volume supérieure à 0,55. Tableau 1 Pression P Fraction de volume Taille (longueur (MPa) d'un cylindre 4 =210 mm) (mm) 0 0,10 60 1 0,12 50 2 0,15 40 7 0,30 20 15 0,40 15 50 0,55 11 On a chauffé de façon préliminaire la préforme de fibres 7 à 5000C pendant une heure, au moyen d'un élément chauffant 8, comme représenté sur la figure 3E. On a ensuite placé la préforme de fibres 7 dans un moule métallique 9 dans lequel on a versé de l'aluminium en fusion 10 à environ 8000C (figures 3F et 3G).On a utilisé de l'aluminium pur pour usage industriel n0 1100 (normes JIS et des E.U.A.). On a placé dans la moule 11 la préforme 7 imbibée d'aluminium en fusion, et on lui a appliqué une pression d'environ 20 MPa (figure 3H). Ce moulage sous haute pression a permis d'agréger l'aluminium dans le moule. On a extrait du moule 11 le produit moulé constitué par de l'aluminium renforcé par des fibres de carbone, et on l'a transformé par traitement mécanique en un matériau de base 12 mesurant 20 mm x 20 mm x 5 mm (figures 31 et 3J). Le traitement mécanique a pu être accompli au moyen d'une fraise ou d'un autre outil de coupe avec une grande facilité, comme pour le matériau métallique. On a observé au microscope optique la surface du matériau de base obtenu, pour le montage de composants électroniques. L'observation a révélé que les fibres de carbone étaient disposées de façon aléatoire dans une matrice d'aluminium, comme représenté sur la figure 1A. On a également observé au microscope optique la surface obtenue en coupant le matériau de base perpendiculairement à la surface de montage. L'observation a révélé que les fibres de carbone étaient empilées en couches dans la surface perpendiculaire, avec leur direction longitudinale pratiquement parallèle à la surface de montage, comme représenté sur la figure 1B. On a fixé sur la surface du matériau de base représenté sur la figure 1A, par brasage tendre (In-Pb), un dispositif à semiconducteurs encapsulé dans un boîtier en céramique de 4 mm x 6 mm x 3 mm. On a soumis à un test d'endurance thermique le matériau de base sur lequel était fixé le dispositif à semiconducteurs. Au cours du test, on a soumis le matériau de base à 200 cycles thermiques au cours desquels on a maintenu une température de -70 C pendant 30 minutes, et ensuite une température de 1400C pendant 30 minutes. On a accompli le test cinq fois. Après le test d'endurance thermique, on a observé à la loupe la partie au niveau de laquelle le dispositif était fixé au matériau de base.Les fibres de carbone avec des fractions de volume de 0,1 et 0,12 ont présenté des fissures dans toutes les parties de jonction, tandis que les fibres de carbone avec une fraction de volume comprise entre 0,15 et 0,55 n'ont présenté aucune fissure. Ce résultat signifie que la fraction de volume doit être supérieure ou égale à 0,15. La figure 2 montre une relation entre la masse volumique et le coefficient de dilatation thermique du matériau de base formé de la manière indiquée ci-dessus, avec une fraction de volume de 0,15 à 0,55, et elle montre également cette relation pour un matériau de base classique. Sur le dessin, A1, A2, A3 et A4 représentent des matériaux de base contenant des fibres de carbone qui ont des fractions de volume respectives de 0,15, 0,3, 0,4 et 0,5. B représente le Kovar, C représente l'alumine et D représente un matériau de base consistant en un alliage d'aluminium. Alors que le matériau de base en alliage d'aluminium a une masse volumique de 2,7 g/cm3, le matériau de base conforme à 11 invention a une masse volumique de 2,4 - 2,6 g/cm3. Par conséquent, l'utilisation du matériau de base conforme à l'invention permet d'obtenir un assemblage de composants électroniques plus léger que l'assemblage classique. En outre, comme le Kovar, le matériau de base présent a un coefficient de dilatation thermique similaire à celui de l'alumine. On a fabriqué un matériau de base contenant des fibres de carbone disposées de façon aléatoire dans trois dimensions, avec une fraction de volume de 0,15. On a d'abord soumis les fibres de carbone à une compression statique à sec, pour former une préforme de fibres. On a effectué la compression par une technique de compression isostatique à froid. La pression était identique ou légèrement supérieure à celle employée ci-dessus. On a ensuite obtenu un matériau de base par moulage sous haute pression, comme ci-dessus. Le matériau de base obtenu avait un coefficient de dilatation thermique de 20 x 10 6/oC, supérieur à celui du matériau de base conforme à l'invention. Ce résultat a montré qu'une disposition aléatoire dans trois dimensions induit une contrainte thermique plus élevée qu'une disposition aléatoire dans deux dimensions.Avec une disposition aléatoire dans trois dimensions, l'augmentation de la fraction de volume de fibres de carbone pour obtenir un faible CDT, rend le matériau de base plus fragile. Comme décrit dans ce qui précède, la disposition aléatoire dans trois dimensions n'est pas préférable du point de vue de la résistance mécanique. Exemple 2 Comme dans le mode de réalisation 1, on a formé une masse moulée de fibres en utilisant des fibres de carbone à base de goudron ayant un module élastique moyen de 8 GPa, un diamètre moyen de 10 pm et une longueur de 1000 pm (rapport de forme de 100). Les fibres de carbone à base de goudron sont disponibles dans le commerce. Le Tableau 2 montre la pression P, les fractions de volume obtenues et les tailles obtenues pour la masse moulée. Tableau 2 Pression P Fraction de volume Taille (longueur (MPa) d'un cylindre = =210 mm) (mm) 2 0,15 40 7 0,30 20 15 0,40 15 50 0,55 11 On a ensuite effectué un moulage à haute pression en utilisant un alliage d'aluminium n0 5052 (normes JIS et des E.U.A.), de la même manière que dans le premier mode de réalisation. On a ainsi obtenu un matériau de base consistant fondamentalement en un alliage d'aluminium renforcé par des fibres de carbone, avec une fraction de volume de 0,15 - 0,55. On a traité aisément le matériau de base. Dans le matériau de base, les fibres de carbone étaient disposées de façon aléatoire#sur une surface horizontale sur laquelle des composants électroniques devaient être montés. Sur une surface verticale, les fibres de carbone étaient empilées de façon que leur direction longitudinale soit pratiquement parallèle à la surface horizontale. Un test d'endurance thermique identique à celui du mode de réalisation 1 n'a fait apparaître aucune fissure dans le matériau de base. On peut remplacer les fibres de carbone d'un diamètre de 10 pm qui sont représentées dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, par des fibres de carbone disponibles dans le commerce, ayant un diamètre de 7 pm. En outre, on peut utiliser une variété de fibres de carbone ayant par exemple un diamètre de 5 - 15 pm. On peut utiliser un autre type d'aluminium pur pour usage industriel et un autre type d'alliage d'aluminium pour usage industriel, à titre de matériau de matrice, à la place de ceux qui sont indiqués dans le mode de réalisation décrit ci-dessus. En ce qui concerne un matériau à base d'aluminium pur, on peut utiliser par exemple les variétés d'aluminium n0 1060, 1080, 1050 ou 1200 (normes JIS ou des E.U.A.). On peut sélectionner un alliage d'aluminium parmi les matériaux basés sur les constituants suivants Al-Cu, Al-Mn, Al-Si, Al-Mg, Al-Mg-Si et Al-Zn-Mg. L'un des matériaux les plus appropriés est un alliage d'aluminium n0 6061 (normes JIS et des E.U.A.). Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, on peut disperser en compagnie de fibres de carbone, dans l'eau, des particules ou des trichites consistant au moins en carbure de silicium (SiC) ou en nitrure de silicium (Si3N4). Dans ce cas, le produit obtenu est renforcé par des particules ou des trichites de SiC ou Si3N4. D'autres matériaux que l'on peut ajouter à des fibres de carbone comprennent des trichites d'alumine, de graphite, de titanate de potassium, de borate d'aluminium et d'oxyde de zinc. On peut également renforcer le matériau de base avec ces matériaux. Comme décrit dans ce qui précède, le matériau de base conforme à l'invention présente des propriétés physiques supérieures à celles du matériau de base classique. En particulier, le matériau de base présent est avantageux en ce qui concerne son poids, son coefficient de dilatation thermique et sa facilité de mise en oeuvre. Ce matériau de base améliore les performances et la fiabilité d'un assemblage de composants électroniques. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au matériau décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Matériau de base pour le montage d'un composant électronique, caractérisé en ce qu'il comprend : une matrice consistant essentiellement au moins en aluminium ou en un alliage d'aluminium, et des fibres de carbone disposées dans la matrice de façon à être réparties en couches dans une direction fixée, et orientées pratiquement de manière aléatoire dans des directions perpendiculaires à la direction fixée, avec une fraction de volume de 0,15 à 0,55. 2. Matériau de base pour le montage d'un composant électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport de forme des fibres de carbone est compris entre 10 et 500. 3. Matériau de base pour le montage d'un composant électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le diamètre des fibres de carbone est compris entre 5 et 15 ,um. 4. Matériau de base pour le montage d'un composant électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module élastique des fibres de carbone est compris entre 3,5 GPa et 9 GPa. 5. Matériau de base pour le montage d'un composant électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres de carbone sont soit des fibres de carbone à base de PAN, soit des fibres de carbone à base de goudron. 6. Matériau de base pour le montage d'un composant électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice consiste essentiellement en aluminium pur. 7. Matériau de base pour le montage d'un composant électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice est essentiellement constituée par un ou plusieurs matériaux sélectionnés parmi le groupe d'alliages d'aluminium basés sur les constituants suivants : Al-Cu, Al-Mn, Al-Si, Al-Mg, Al-Mg-Si et Al-Zn-Mg. 8. Matériau de base pour le montage d'un composant électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il a une masse volumique de 2,4 à 2,6 g/cm3. 9. Matériau de base pour le montage d'un composant électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient des particules ou des trichites de carbure de silicium ou de nitrure de silicium. 10. Matériau de base pour le montage d'un composant électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient un ou plusieurs matériaux sélectionnés parmi le groupe comprenant des trichites d'alumine, de graphite, de titanate de potassium, de borate d'aluminium et d'oxyde de zinc.