Brevet FR2694839A1 — publié le 19940218

L'invention concerne l'utilisation de corindon brun comme charge thermoconductrice dans des compositions polymères, en particulier des compositions d'enrobage électriquement isolantes. Dans l'industrie électronique on a besoin de compositions à base de matières durcissables ou thermoplastiques présentant à la fois de bonnes propriétés d'isolation électrique et de conduction de la chaleur, pour enrober ou encapsuler des composants électroniques tels que des microcircuits sur plaquettes de silicium, afin que l'enrobage résultant permette l'évacuation de la chaleur engendrée par le composant en service. A cette fin, on a proposé de charger une résine polymère (telle qu'une résine de silicone, de polyuréthane ou époxy) avec de l'alumine afin d'améliorer la conductibilité thermique de la composition durcie tout en conservant de bonnes propriétés électriques et une bonne résistance aux acides. L'alumine utilisée comme charge est de l'alumine blanche, par exemple de l'alumine Bayer fondue ou calcinée ou du corindon blanc (à plus de 99% en poids d'alumine) obtenu par recristallisation de l'alumine Bayer. L'alumine Bayer et le corindon blanc présentent, cependant, divers inconvénients tels que - une teneur en sodium relativement élevée résultant de leur fabrication par attaque de bauxite par la soude, qui affecte les propriétés d'isolation électrique de la matière durcie, la résistance au vieillissement des composants électroniques en particulier lorsque ceux-ci sont exposés à des conditions de service sévères telles que des températures élevées et qui peut aussi réduire la durée de vie en pot des compositions, les ions sodium faisant montre d'une activité catalytique sur certains agents durcisseurs (par exemple les anhydrides d'acides) utilisés dans certaines compositions durcissables (par exemple les compositions à base de résines époxy) - une adhésion médiocre à la matière polymère ce qui fait que les propriétés de résistance mécanique de l'enrobage final sont médiocres ; et - un coût relativement élevé. Il existe, bien sûr, d'autres procédés de production d'alumine conduisant à des produits très purs, notamment par passage par des dérivés organiques de l'aluminium. Les alumines ainsi produites, si elles peuvent être techniquement satisfaisantes, ne sont cependant pas utilisables, en pratique industrielle, en raison de leur coût élevé. Le problème de la découverte d'une charge électriquement isolante et thermoconductrice pour des compositions d'enrobage de composants électroniques n'a donc pas été résolu de manière pleinement satisfaisante jusqu a présent. L'invention a notamment pour objet de fournir une telle charge. Plus particulièrement l'invention concerne, de façon générale, l'utilisation du corindon dit "brun" ou "régulier" sous forme pulvérulente comme charge électriquement isolante et thermoconductrice dans des compositions comprenant une matière polymère susceptible de passer de l'état liquide à l'état solide. L'invention concerne aussi une composition d'enrobage de composants électroniques comprenant une matière polymère susceptible de passer de l'état liquide à l'état solide et une charge électriquement isolante et thermoconductrice, caractérisée en ce que la charge est formée d'une poudre de corindon "brun ou "régulier". L'invention concerne aussi les composants et ensemble de composants électroniques munis d'un enrobage polymère électriquement isolant et thermoconducteur, caractérisés en ce que cet enrobage contient une charge de corindon brun ou régulier. Par l'expression "corindon brun ou régulier" on entend le corindon produit par fusion réductrice de bauxite. Un procédé connu de production de corindon brun ou régulier consiste à fondre au four électrique de la bauxite calcinée, à ajouter à la bauxite fondue du fer sous forme de ferrailles en tant qu'agent réducteur, puis à séparer le ferrosilicium formé du corindon soit au moment de la coulée en poche ou en plaques de corindon, soit par triage après refroidissement. Le corindon obtenu est habituellement de couleur brune par suite des impuretés TiOz et Fie203 qu'il contient, mais peut aussi prendre une couleur bleutée lorsqu'on le soumet à traitement thermique de recuisson à une température comprise entre environ 1000 0C et son point de fusion. Habituellement le corindon brun ou régulier contient 94 à 99% en poids d'alumine, le reste étant principalement constitué de TiO2 avec un peu de Fe2 03. Ce type de corindon, très impur, est utilisé, à la connaissance de la Demanderesse, uniquement dans le domaine des abrasifs. C'est avec surprise que la Demanderesse a trouvé que le corindon brun ou régulier constitue une charge de choix pour des compositions destinées à l'enrobage ou l'encapsulation de composants électroniques ou d'ensembles électroniques, tels que des microcircuits ou autres, qui dégagent de la chaleur en service. En effet, il est assez inhabituel que l'emploi de produits très impurs s'avère préférable à celui de produits plus purs. La Demanderesse a trouvé que le corindon brun ou régulier, lorsqu'il est employé comme charge dans des compositions d'enrobage, ne souffre pas des inconvénients sus-mentionnés présentés par l'alumine Bayer ou le corindon blanc. On attribue cet avantage au fait qu'il contient beaucoup moins d'oxydes de métaux alcalins (par exemple Na2 0) que l'alumine Bayer ou le corindon blanc. Egalement, il présente habituellement une bonne adhérence aux matières polymères avec lesquelles il est mélangé, si bien que, après durcissement, la matière durcie finale présente de bonnes propriétés mécaniques. La proportion de corindon brun ou régulier dans les compositions de l'invention peut varier largement. Habituellement, on incorporera au moins 10% en poids de corindon pour conférer à la composition des propriétés de conductibilité thermique améliorée. De préférence, toutefois, on en incorporera au moins 70% en poids pour obtenir des propriétés de conductibilité thermique supérieure. La limite supérieure de corindon brun ou régulier pouvant être incorporée sera imposée par la nécessité de disposer d'une composition chargée pouvant être commodément appliquée sur les composants, c'est-à- dire demeurant suffisamment fluide. Cette limite supérieure variera avec le type de la matière polymère employée et les additifs éventuels présents. Le plus souvent cette limite supérieure se situera entre 80 et 90% en poids, selon les cas. Le corindon brun ou régulier est utilisé sous forme d'une poudre, par exemple d'une granulométrie comprise entre 1 et 400 pm, de préférence de moins de 200 pm. Comme matières susceptibles de passer de l'état liquide à l'état solide, on peut citer des résines thermodurcissables, des matières réticulables, par exemple par irradiation ultra-violette, ou des polymères thermoplastiques (la composition chargée étant alors appliquée à chaud). Des exemples de telles matières sont des résines époxy, des résines polyesters, des résines de silicones, des résines phénoliques, des précurseurs de polyimides, des polyuréthanes, des matériaux thermoplastiques comme le polycarbonate, le polyphénylène sulfone, les polyacrylamides et le polyphtalamide. Les compositions de l'invention peuvent contenir divers additifs destinés à améliorer leur mise en oeuvre et leurs propriétés, par exemple des colorants, des agents d'ignifugation, des promoteurs d'adhésion, des agents de démoulage, des plastifiants, etc... Le corindon brun ou régulier peut être mélangé à la matière durcissable et à tous les additifs éventuels par toute technique appropriée, par exemple dans des malaxeurs, pétrisseurs et appareils analogues. Les exemples non limitatifs suivants sont donnés à titre illustratif pour démontrer les améliorations des propriétés électriques et mécaniques pouvant être obtenues par utilisation de corindon brun ou régulier. Dans ces exemples, on a utilisé un corindon brun présentant la composition chimique suivante, en % en poids A12 03 95 - 97% TiO2 1 - 4% SiO2 0,5 - 1,0 % Fe2 o3 0,1 - 0,3 % Mgo wv O,2 % CaO 0,05 - 0,20 % Fe , 0,1 % EXEMPLE 1 On a préparé une composition de résine époxy liquide destinée à la protection des circuits hybrides en mélangeant les quantités suivantes des ingrédients ci dessous 90 g Diglycidyléther du bisphénol A 10 g Diglycidyléther de polypropylène glycol 90 g A n h y d r i d e m é t h y 1 - bicycloheptènedicarboxylique 0,5 g ACTIRON NX 91 (accélérateur du type amine tertiaire vendue par le demandeur) 600 g Corindon brun de granulométrie 0-44 pm. Après durcissement de 16h à 1200C, la résistance à la flexion selon la norme NFT 51001 et la rigidité diélectrique selon la norme NFC 26225 sont telles qu'indiquées au Tableau I. On a également préparé, à titre comparatif, une composition similaire si ce n'est que le corindon brun a été remplacé par un corindon blanc, obtenu par recristallisation d'une alumine Bayer, de granulométrie similaire. TABLEAU I Composition avec corindon avec corindon blanc brun Résistance à la flexion, MPa 79 87 Rigidité diélectrique, KV/mm 22 28 Le corindon brun présente donc un double avantage, des points de vue mécanique et électrique, sur le corindon blanc. EXEMPLE 2 Les deux compositions de résine de l'exemple 1 sont soumises à une analyse du chlore par attaque à l'ébullition par la potasse 0,1N suivie d'une titration potentiométrique selon la méthode de la norme NFT 51 523. De même une minéralisation est effectuée puis un dosage du sodium par spectrophotométrie d'émission dans un plasma. Les résultats de ces dosages sont donnés au Tableau Il. TABLEAU Il Composition avec corindon avec corindon blanc brun Teneur en chlore micro g/g 8-14 Sodium micro g/g 2000 40 EXEMPLE 3 Une poudre à mouler A est préparée par mélange de 400 g de poudre de résine crésylique époxydée de haute pureté contenant moins de 5 pg de sodium par gramme, 200 g de poudre de résine phénolique de type novolaque, 5g de triphénylphosphine, 5 g de cire de carnauba et 2000 g de corindon brun de granulométrie inférieure à 200 pm. Les ingrédients ci-dessus sont mélangés pendant 3 min à 100 0C dans un malaxeur. Après refroidissement et broyage les granulés obtenus sont soumis à une extraction dans de l'eau bipermutée à 100 0C pendant 24 h dans un récipient en polytétrafluoroéthylène. Après filtration, la teneur en sodium de l'eau d'extraction mesurée par spectroscopie d'émission est de 30 pg/g. A titre comparatif, on prépare une poudre à mouler B dans les mêmes conditions que ci-dessus, mais en remplaçant le corindon brun par une alumine blanche frittée de granulométrie comparable. Le dosage de sodium dans l'eau d'extraction de la poudre contenant l'alumine blanche frittée conduit à 1200 um/g de sodium. Cette dernière teneur est trop élevée pour l'utilisation de la poudre contenant de l'alumine blanche frittée comme enrobage et protection de circuits sur plaquettes de silicium. Au contraire, la teneur en sodium de la poudre à mouler A est parfaitement acceptable pour l'application considérée. EXEMPLE 4 Les poudres à mouler A et B de l'exemple 3 sont utilisées pour enrober chacune 20 circuits tests constitués par des résistances déposées sur silicium, la plaquette de silicium étant soudée, puis câblée sur une grille en cuivre étamé. Le moulage est réalisé sur une presse transfert avec polymérisation de 90 s à 1750C dans les deux cas. La polymérisation est complétée par un traitement de 5 h à 1750C. Les deux séries de 20 circuits sont ensuite soumises à un test à l'autoclave pendant 1000 h à 120 C. La résistivité mesurée sur les circuits enrobés avec la poudre à mouler contenant du corindon brun sont toutes supérieures à 1013 ohm.cm. Au contraire les valeurs obtenues sur les circuits enrobés avec la poudre à mouler B contenant de l'alumine blanche frittée sont comprises entre 105 et 108 ohm.cm. Ces résultats indiquent que seul le corindon brun convient comme charge dans des résines d'enrobage destinées à l'électronique. EXEMPLE 5 Une poudre à mouler ignifugée C est préparée par mélange des ingrédients suivants 340 g de poudre de résine crésylique époxydée solide 6g g de poudre de résine de bisphénol A bromée époxydée solide 200 g de poudre de résine phénolique novolaque solide 5 g de cire de carnauba (agent de démoulage) 5 g de triphényl phosphine (catalyseur) 2300 g de corindon brun, de granulométrie inférieure à 200 pm, à 97% d'alumine. Les ingrédients ci-dessus sont mélangés pendant 2 min à 100 0C dans un malaxeur. Après refroidissement et broyage, les granulés obtenus sont soumis à une extraction et à un dosage du sodium selon le mode opératoire de l'exemple 3. La teneur en sodium est de 40 ,ug/g. Une poudre à mouler ignifugée D similaire à la poudre à mouler C, si ce n'est qu'on #osa remplacé le corindon brun par un corindon blanc à 99% d'alumine-alpha, de granulométrie voisine de celle du corindon brun, présentant une teneur en sodium de 700 pm/g. EXEMPLE 6 Les deux poudres à mouler C et D de l'exemple 5 ont été utilisées pour enrober chacune 20 circuits tests selon le mode opératoire décrit dans l'exemple 4. Après séjour de 1000 h à l'autoclave, les résistivités mesurées sur les circuits enrobés avec la poudre à mouler C contenant du corindon bruns sont comprises entre 1013 et 1014 ohm.cm. La poudre à mouler D avec le corindon blanc donne des résistivités comprises entre 107 et 109 ohm.cm seulement. Cet exemple démontre bien la supériorité du corindon brun sur le corindon blanc en tant que charge pour compositions de résine pour l'électronique. Il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et l'on pourrait les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Utilisation du corindon dit "brun'4 ou "régulier" sous forme pulvérulente comme charge électriquement isolante et thermoconductrice dans des compositions comprenant une matière polymère susceptible de passer de l'état liquide à l'état solide. 2. Composition d'enrobage de composants électroniques comprenant une matière polymère susceptible de passer de l'état liquide à l'état solide et une charge électriquement isolante et thermoconductrice, caractérisée en ce que la charge est formée d'une poudre de corindon "brun" ou "régulier". 3. Composition selon la revendication 2, caractérisée en ce que la charge constitue 10 à 90% en poids de la composition. 4. Composition selon la revendication 3, caractérisée en ce que la charge constitue au moins 70% en poids de la composition. 5. Composition selon la revendication 2, 3 ou 4, caractérisée en ce que le corindon brun ou régulier a subi un traitement thermique de recuis son à une température comprise entre 1000 0C et son point de fusion. 6. Composants et ensembles de composants électroniques munis d'un enrobage polymère électriquement isolant et thermoconducteur, caractérisés en ce que cet enrobage contient une charge de corindon brun ou régulier.