Brevet FR2810191A1 — publié le 20011214

DRAIN THERMIQUE POUR CIRCUIT IMPRIME ET PROCEDES DE REALISATION DE CE DRAIN DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne un drain thermique pour circuit imprimé, presentant un coefficient de dilatation et de conductivité thermique adaptable. Elle concerne également des procédés de réalisation de ce drain. Cette invention trouve des applications dans tous les domaines de 1 électronique nécessitant un drain pour dissiper la chaleur des composants électroniques et, en particulier, l'électronique de puissance pour l'automobile et l'aéronautique. Etat de la technique Actuellement, systèmes électroniques sont de plus en plus performants et de plus en plus compacts. Or, les composants électroniques chauffent ; et plus ils sont nombreux et proches les uns des autres, plus il est difficile de dissiper la chaleur de ces composants électroniques. Actuellement, la dissipation de la chaleur de ces composants électroniques se fait par drains thermiques soudés sous les plaques de circuit électronique. I1 faut alors que la différence de coefficient de dilatation thermique entre la plaque du circuit électronique et le drain thermique soit aussi faible que possible, de façon à diminuer contraintes thermodynamiques induites lors de l'utilisation du système. Les circuits imprimés actuels sont faits de plusieurs couches d'isolant (fibre verre ou polyamide) et de feuillards de cuivre, et sont montés sur des substrats céramiques constitues de deux couches de cuivre séparées par une couche de céramique. I1 en résulte un assemblage qui présente un coefficient de dilatation thermique très éloigné celui des composants qui sont montés sur ce circuit imprimé. Et cette différence entre les coefficients de dilatation induit des contraintes qui initient la délamination des éléments, c'est-à-dire à la séparation des couches de cuivre et du substrat, et provoquent, par conséquent, la mise hors service de l'ensemble. Pour éviter ces problèmes, certains boîtiers électroniques destinés à abriter des fonctions de puissance (commande de moteur, amplificateur vidéo commande de relais, etc.) et intégrant des puces silicium et leur circuit associé, le tout assemblé sur un substrat céramique, sont réalisés dans un matériau ayant des fonctions de drain thermique. Or, à ce jour, pour des raisons de compatibilité entre les différents coefficients de dilatation de ces éléments, les boîtiers sont réalisés en Kovar. Cependant, le Kovar est un matériau lourd ; ainsi, la masse du boîtier est supérieure à celle d'un boîtier en cuivre ; de plus, le coût d'un boîtier en Kovar est très élevé, de sorte qu'il représente 80 % du coût de la fonction qu'il abrite. Un autre boîtier électronique réalisé au moyen de plaques composites à fibres de carbone dans une matrice de cuivre est décrit dans la demande de brevet française FR-A-2 704 479. Ces plaques composites comportent chacune un composite souple de fibres de carbone revêtu électrolytiquement de cuivre, pris en sandwich entre deux lamelles cuivre et durci et assemblé aux lamelles de cuivre au cours d'une opération de pressage à chaud. Cependant, ce dispositif présente l'inconvénient de présenter, en outre, des propriétés physiques non homogènes dans les trois directions de l'espace. Exposé de l'invention L'invention a justement pour but de remédier aux inconvénients drains thermiques, décrits précédemment. A cette fin, elle propose un drain thermique à coefficient de dilatation et de conductivité adaptable au substrat utilisé et présentant des propriétés électriques et thermiques proches de celles du cuivre, ce qui permet de diminuer les contraintes induites dans le système électronique et donc d'augmenter la fiabilité du système. Plus précisément, l'invention a pour objet un drain thermique comportant une matrice métallique et une pluralité de particules céramiques réparties de façon sensiblement homogène dans la matrice métallique. Avantageusement, les particules céramiques sont enrobées d'un matériau métallique. Selon un mode de réalisation de l'invention, les particules céramiques ont une forme sensiblement sphérique avec un diamètre de l'ordre de 0,1 Mm à 50 Mm, et/ou une forme de fibre courte de diamètre compris entre 5 et 20 Mm et de longueur comprise entre 1 et 50 Mm. Les particules céramiques peuvent constituer environ 10 à 70 $ du volume total du drain. Selon un mode de réalisation de l'invention, la matrice métallique est réalisée en aluminium ou en cuivre, ou tout autre alliage à base de cuivre et/ou d'aluminium ; particules céramiques sont réalisées en carbone bien en graphite, en silice, en carbure de silicium ou encore en ZrWz08 ou toute combinaison de ces céramiques. Dans une variante de l'invention, le matériau métallique qui enrobe les particules céramiques est du cobalt, du nickel, de l'argent, du cuivre, de l'aluminium ou de 'or. Ce matériau enrobant les particules céramiques a épaisseur d'au moins 0,1 um. L'invention concerne également des procédés de réalisation du drain thermique exposé précédemment. L'un de ces procédés de réalisation consiste à - mélanger une poudre métallique avec une poudre céramique, un liant et dispersant organique ; - injecter ce mélange dans un moule de forme et de dimension choisies ; - éliminer chimiquement ou thermiquement le liant et le dispersant organique ; et - fritter la structure obtenue dans un four à température constante et sous atmosphère contrôlée. Avantageusement, liant est de type thermodurcissable ou bien thermoplastique ou encore inorganique. Un autre procédé réalisation du drain thermique de l'invention consiste à - réaliser une pâte composite en mélangeant uniformément une poudre métallique avec une poudre céramique, un solvant, un dispersant, un liant et un plastifiant ; - évaporer le solvant contenu dans la pâte composite ; - éliminer les composés organiques par un dëliantage thermique et/ou chimique ; - densifier le materiau par frittage sous température et atmosphère contrôlées. Brève description des figures - La figure 1 represente schématiquement, une particule céramique selon vue en coupe ; - la figure 2 représente le drain thermique de l'invention, lors des premières étapes de réalisation, c'est-à-dire lorsque les particules céramiques sont mélangées avec des particules métalliques, avant densification de l'ensemble ; - la figure 3 représente le drain métallique de la figure 2, après densification de l'ensemble ; et - la figure 4 représente un exemple de composants brasés sur un circuit imprimé avec un drain thermique selon l'invention. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention L'invention concerne un drain thermique destiné à être brasé sous un circuit imprimé ou sous des composants électroniques, afin de permettre la dissipation de la chaleur de ces composants. Ce drain thermique est réalisé au moyen de plusieurs particules céramiques réparties de façon homogène dans une matrice métallique. Sur la figure 1, on a représente schématiquement une particule céramique, selon une en coupe. Cette particule céramique, référencée 1, comporte une zone centrale la, par exemple en carbone ou silice (Si0z), ou bien en graphite, ou encore en carbure de silicium (SiC) ou en tungstate de zirconium (ZrWz08). Cette zone centrale la en céramique peut être revetue d'une couche de matériau métallique, référencée lb. Cette couche métallique peut être, par exemple, du cuivre. Selon le mode de réalisation préféré de l'invention, la particule de céramique la a une forme sensiblement sphérique, avec une zone centrale la de diamètre compris entre environ 0,1 et 50 pm, et un revetement métallique d'épaisseur supérieure à 0,1 um. Elle peut aussi avoir une forme de fibre courte de diamètre 'compris entre 5 et 20 mm de longueur comprise entre 1 et 50 mm. La figure 2 représente schématiquement le drain thermique de l'invention, avant densification. Autrement dit, la figure 2 représente le drain thermique 2 lors de l'étape qui consiste à mélanger les particules céramiques avec les particules métalliques destinées à former la matrice métallique. Ces particules métalliques peuvent être, par exemple en cuivre ou en aluminium. On voit sur cette figure 2 que les particules céramiques, référencées 1, sont réparties de façon régulière au milieu des particules métalliques, référencées 3. Ces particules céramiques et métalliques se présentent, physiquement sous forme de poudres ou de fibres courtes. En fonction des applications envisagées, . particules céramiques peuvent représenter entre environ 10 $ et 70 $ du volume total du drain. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, on voit les particules céramiques représentent environ 50 $ volume total du drain. Sur la figure 3, on a représenté le même drain métallique que sur la figure 2, mais après densification de l'ensemble. Autrement dit, cette figure 3 représente le drain thermique, après que le mélange de particules céramiques et de particules métalliques, ait été chauffé. Les particules métalliques forment alors la matrice métallique, à l'intérieur de laquelle sont réparties les différentes particules céramiques. Sur la figure 4, on a représenté un exemple de circuit imprimé brasé sur un drain thermique conforme à 'invention. façon plus précise, on voit, sur cette figure 4, composant électronique 4 fixé sur un circuit imprimé 5, duquel il est séparé par un drain thermique 2a. Ce composant électronique 4 est également connecté un fil de connexion 6 à la matrice métallique drain thermique. circuit imprimé 5 est basé sur un joint de brasure 7, duquel il est séparé par une couche de drain thermique 2b. 'ensemble du système électronique repose donc sur couche de drain thermique 2c. on voit ainsi que chaque élément du système électronique susceptible de chauffer est séparé des autres éléments par une couche de drain thermique conforme à l'invention. Le système électronique, représenté sur la figure 4, n'est bien sûr qu'un exemple, le drain thermique de l'invention pouvant être utilisé pour tous types de composants électroniques ou de circuits imprimés, susceptibles de chauffer. Le drain thermique, qui vient d'être décrit précédemment, peut être réalisé par deux procédés différents. Le premier procédé de réalisation du drain thermique est un prdcédé de moulage par injection de métaux. Ce procédé comporte une première étape appelée feedstock , qui consiste à mélanger, de façon uniforme, un liant avec un dispersant, poudre céramique et une poudre métallique. Les poudres mélangées à ce liant et à ce dispersant organique sont, d'une part, poudre céramique, qui contient les particules céramiques décrites précédemment et, d'autre part, la poudre métallique destinée à réaliser la matrice métallique. La seconde étape de ce procédé de moulage injection de métaux est l'étape d'injection. Dans cette étape, les poudres céramique et métallique sont enrobées du liant ; elles sont alors injectées sous pression dans un moule dont les dimensions et les formes sont calculées par rapport à la forme désirée finale. Le procédé se poursuit par une étape de deliantage dans laquelle le liant est éliminé chimiquement ou thermiquement. Cette étape de déliantage permet également d'éliminer le dispersant. La structure obtenue n'est alors composée que des différentes poudres métallique et céramique mélangées, comme montré sur la figure 2. Enfin, le procédé de moulage par injection de métaux comporte une opération de frittage qui consiste à porter, et à maintenir, la structure obtenue précédemment, c'est-à-dire la structure déliantée, à une température constante, sous une atmosphère contrôlée. La température est choisie en fonction du type de poudre métallique utilisée. Par exemple, ' la poudre métallique est du cuivre, la température est comprise entre environ 700 C et 1 000 C ; si la poudre métallique est de l'aluminium, la température est comprise entre 450 C et 650 C. Ainsi, grâce au frittage, la structure déliantée obtenue à l'étape de déliantage présente une certaine cohésion ; elle présente également la densité nécessaire pour assurer la dissipation de la chaleur du composant électronique. Ce procédé de moulage par injection de métaux permet d'obtenir, pour le drain thermique la forme choisie, réalisée par le moule lors de la seconde étape I1 permet donc d'obtenir, en plus de l'augmentation des fonctionnalités du drain, un design amélioré et une diminution du nombre des pièces rapportées. De plus, la qualité des matériaux employés et répétabilité de fabrication permet d'obtenir d'excellentes propriétés mécaniques, physiques et métallurgiques, ainsi qu'une bonne stabilité dimensionnelle, ce qui permet d'envisager de nombreuses applications. Le drain thermique, décrit précédemment, peut egalement être réalisé par un procédé de coulage en bande. Ce procédé consiste en une première étape de réalisation d'une pâte composite, appelée barbotine . Cette pâte composite est réalisée en mélangeant de façon uniforme un solvant avec un dispersant, un liant, un plastifiant, des additifs, tels que des agents mouillants, et les poudres céramique et métallique. Le solvant assure la solubilisation des différents constituants organiques et participe à la dispersion de la poudre. Le dispersant assure la stabilité de la suspension en développant des forces de répulsion entre les particules de poudre. Le liant assure la cohésion de bande, après évaporation du solvant. Le plastifiant assure une grande souplesse à la bande nécessaire à la manipulation. Le procédé de coulage en bande consiste ensuite une étape d'étalement de la barbotine. En effet, la barbotine est étalée au moyen d'un système de couteaux sur une bande d'acier ou de polymere. La hauteur entre les couteaux et la bande d'acier ou de polymère ainsi que la vitesse de défilement de la bande permettent de contrôler l'épaisseur de la barbotine. _ Le procédé consiste ensuite en une étape d'évaporation et de frittage. Dans cette étape, la barbotine est chauffée dans un four de séchage, afin d'éliminer le liant thermiquement. La structure restante est alors composée des poudres métallique et céramique mélangées. La structure obtenue est déliantée. Cette structure déliantée est alors maintenue à une température constante, dont la valeur dépend du type de poudre métallique utilisée. Si la poudre métallique est du cuivre, alors la température est comprise entre 700 et 1 000 C ; si la poudre choisie est de l'aluminium, alors la température est comprise entre 465 et 650 C. Cette structure déliantée et densifiée présente ainsi une cohésion et une densité telles qu'elles permettent de dissiper la chaleur des composants électroniques. Ce procédé de coulage en bande permet d'obtenir, en continu, un film métallique dont l'épaisseur est comprise entre 0,05 et 1 mm. Quel que soit le procédé choisi, il est avantageux d'enrober, au préalable, les particules de céramiques d'une couche métallique qui permet d'augmenter la liaison chimique entre les particules céramiques et 1a matrice métallique ainsi, d'optimiser le transfert des propriétés physiques et mecaniques entre les particules céramiques et la matrice métallique. Cet enrobage, ou dépot, peut se faire soit de façon chimique, soit de façon électrolytique, soit, aussi, par un procédé faisant intervenir des fluides supercritiques. Le dépôt métallique peut être selon les applications choisies, un métal et, en particulier, du cobalt, du nickel, de l'aluminiium, ou cuivre, ou encore de l'argent, de l'or ou tout autre métal ou alliage permettant d'obtenir un bon transfert de propriétés entre les particules céramiques et la matrice métallique. A titre d'exemple, on peut préciser qu'avec drain thermique composite, réalisé a partir de particules de carbone et d'une matrice de cuivre, dans lequel les particules de carbone sont recouvertes de cobalt (d'une épaisseur environ 0,01 Mm) et qui constitue 30 % du volume total de la structure, on obtient les coefficients suivants - 400 MPa pour contrainte à la rupture ; - 180 GPa pour le module d'élasticité ; - 260 W/mK pour la conductivité thermique ; - 11 x 10-6/ C pour le coefficient de dilatation thermique ; et - 7 pour la densité. REVENDICATIONS 1. Drain thermique pour circuit imprimé caractérisé en ce qu'il comporte une matrice métallique (3) et une pluralité de particules céramiques (1 réparties de façon sensiblement homogène dans la matrice métallique. 2. Drain thermique selon la revendication caractérisé en ce que les particules céramiques sont enrobées d'un matériau métallique (lb). 3. Drain thermique selon l'une quelconque revendications 1 et 2, caractérisé en ce que particules céramiques ont une forme sensiblement sphérique avec un diamètre de l'ordre de 0,1 Mm à 50 Mm et/ou une forme de fibre courte de diamètre compris entre 5 et 20 Mm et de longueur comprise entre 1 50 um. 4. Drain thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que particules céramiques constituent environ 10 à 70 % du volume total du drain. 5. Drain thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la matrice métallique est réalisée en aluminium ou en cuivre, ou tout autre alliage à base de cuivre et/ou d'alumunium. 6. Drain thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que particules céramiques sont en carbone, en graphite, silice (Si02), en carbure de silicium (SiC), ou en tungstate de zirconium (ZnWZ08) ou un mélange de ces composants. 7. Drain thermique selon l'une quelconque des revendications 2 à 6 caractérisé en ce que le matériau métallique enrobant les particules céramiques est du cobalt, du nickel, cuivre, de l'aluminium, de l'argent ou de l'or. 8. Drain thermique selon l'une quelconque des revendications 2 à 7 caractérisé en ce que le matériau enrobant les particules céramiques a une épaisseur d'au moins 0,1 9. Procédé de réalisation d'un drain thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il consiste à - mélanger une poudre métallique avec une poudre céramique, un liant et un dispersant ; - injecter ce mélange dans un moule de forme et de dimensions choisies ; - éliminer chimiquement ou thermiquement le liant et le dispersant ; et - fritter la structure obtenue dans un four, à température constante et sous atmosphère contrôlée. 10. Procédé de réalisation d'un drain thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il consiste à - réaliser une pâte composite en mélangeant uniformément une poudre métallique, une poudre céramique, un solvant, un dispersant, un liant et un plastifiant ; - évaporer le solvant contenu dans la pâte composite ; - éliminer les composés organiques par un déliantage thermique et/ou chimique ; - densifier le matériau par frittage sous température et atmosphère contrôlées.