Brevet FR2810395A1 — publié le 20011221

DISSIPATEUR THERMIQUE A PERFORMANCES THERMIQU ACCRUES ET PROCEDE DE FABRICATION présente invention est relative à un dissipateur thermique à performances thermiques accrues et à son procédé de fabrication. dissipateur thermique est destiné notamment au refroidissement de pièces soumises à des bombardements de particules tels que électrons ou des ions, ces pièces étant confinées dans le vide. Elles peuvent être le siège de courants très intenses, la chaleur étant alors produite par effet Joule. Ces pièces peuvent appartenir à tubes électroniques à grille, des tubes hyperfréquences, des tubes émetteurs de rayons X, accélérateurs de particules, des réacteurs à plasma, des sources d'ions, etc... Dans ces dispositifs, la chaleur est généralement evacuée par conduction thermique dans des dissipateurs thermiques métalliques qui sont en contact avec la source de chaleur et qui conduisent cette chaleur jusqu'à une surface où s'opère un échange d'énergie vers un fluide de refroidissement. Dans d'autres dispositifs, notamment ceux utilisés dans le domaine spatial, l'évacuation se fait par rayonnement depuis le dissipateur thermique. Le ou les matériaux à travers lesquels est évacuée la chaleur doivent présenter un certain nombre de propriétés une très bonne conductivité électrique pour minimiser les échauffements par effet Joule, une très bonne conductivité thermique pour réduire au maximum les impédances thermiques entre la paroi où est engendrée la chaleur et la paroi où a lieu son évacuation, et selon les applications un très bon comportement au vide avec des pressions de vapeur très faibles (inférieurs par exemple à 10$ Pa à 500 C), une bonne aptitude à se braser sur d'autres matériaux, une compatibilité avec les cathodes émettrices d'électrons. Actuellement le cuivre pur ou en alliage (par exemple cuivre- nickel), et notamment dans les applications sous vide, le cuivre connu sous la dénomination anglo-saxonne de "oxygen free high conductivity copper" sont couramment utilisés. D'autres matériaux conviennent également tels que l'acier inoxydable, le molybdène, le nickel et de nombreux autres alliages tels que le fer-nickel-cobalt. Pour des puissances de l'ordre de 1 à 10 kWImz l'évacuation c'est à dire l'échange thermique, se fait par convection naturelle ou par forcé. Au-dela jusqu'à environ quelques dizaines voire une centaine W/cmz, l'échange thermique se fait avec de l'eau en régime d'écoulement linéaire puis turbulent, Pour des densités de puissance encore plus élevées, de l'ordre de quelques kW/cm', on met en aeuvre des régimes biphasés où vaporise de l'eau pour ensuite la condenser en évitant caléfaction. L'evolution de la demande conduit à la réalisation dissipateurs thermiques de plus en plus performants capables d'évacuer toujours plus de chaleur. Bien souvent le cuivre ne convient plus maigre sa conductivité thermique élevée, de l'ordre de 390 W/m. C, car lorsqu'il est porté dans sa masse à des températures supérieures à environ 300 C les dilatations et contractions répétées entraînent des cristallisations des grossissements de grains, ce qui conduit à l'apparition de fissures. Plus la conductivité thermique du dissipateur thermique élevée plus température qu'il atteint est faible pour une même quantite de chaleur à évacuer. Mais des cuivres alliés (par exemple du cuivre avec 0 d'alumine) supportant des températures plus élevées, de l'ordre de 600 C à 700 C sans danger de recristallisation commencent à faire leur apparition. II a aussi été proposé un matériau composite possédant conductivité thermique élevée formé d'une matrice métallique, (généralement du cuivre) avec des inclusions de diamant. Le diamant une conductivité thermique supérieure à 1700 W/m. C et la conductivite thermique composite est bien entendu supérieure à celle du cuivre. Mais l'inconvénient du diamant est qu'il brûle très facilement en présence d'oxygène a des températures de l'ordre de 400 C à 500 C. L'intérêt d'un tel matériau composite est donc réduit. De plus dans les applications a bombardement de particules, le diamant risque de perturber le fonctionnement en se chargeant électriquement. Un autre inconvénient est que ce composite est difficilement usinable à cause des inclusions de diamant, et c'est gênant dans des applications où une très grande précision mécanique est requise. La présente invention vise à proposer un dissipateur thermique à performances thermiques accrues qui ne possède pas les inconvénients cités plus haut. Ce dissipateur est apte à supporter des températures élevées et est particulièrement intéressant dans des applications de tubes à vide sans que cette application ne soit limitative. Plus précisément le dissipateur thermique selon l'invention comporte matrice métallique contenant des particules de diamant, et cette matrice métallique est insérée dans une gaine métallique étanche destinée ' protéger le diamant de l'oxygène. Le matériau de la matrice peut être choisi parmi cuivre, l'aluminium, le titane, le molybdène ou leurs alliages. Le matériau de la gaine peut être choisi parmi cuivre, l'aluminium, le titane, le molybdène ou leurs alliages. La taille des particules de diamant est supérieure à environ 50 micromètres et va jusqu'à environ 200 micromètres. proportion de diamant, en masse, est de preférence comprise entre environ 5 et 50% par rapport au matériau de la matrice. dissipateur thermique peut être une pièce tube électronique à vide. Son bombardement par des particules ne pose pas de problème. peut appartenir à une enceinte à vide et dans cette configuration, la gaine maintient le vide dans l'enceinte. Dans les applications des tubes à vide, il est préférable que la gaine puisse être brasée. présente invention concerne également un procédé de réalisation d'un dissipateur thermique qui comporte les étapes suivantes: realisation d'un mélange comportant des particules de diamant et des particules de métal, remplissage d'un conteneur métallique avec ce mélange, positionnement d'un un couvercle métallique sur le conteneur rempli, compression à chaud du conteneur rempli avec couvercle dans une atmosphère exempte d'oxygène de manière à obtenir une matrice métallique contenant des particules de diamant, logée dans une gaine métallique etanche formée par le conteneur et le couvercle et destinée à protéger le diamant de l'oxygène. est préférable de prévoir avant l'étape de compression à chaud une étape de compression à température ambiante. peut aussi ajouter une étape de compression du mélange avant le positionnement du couvercle. L'etape de compression à température ambiante est, de préférence une compression isostatique. On peut placer le conteneur dans un moule pour l'étape de compression à chaud aussi bien que pour l'étape de compression à température ambiante, peut prévoir une étape d'usinage du conteneur et/ou du couvercle soit avant l'étape de compression à chaud soit après. est préférable que les particules de métal de la matrice et les particules diamant aient sensiblement la même masse. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à lecture de la description suivante illustrée par les figures annexées parmi lesquelles - figure 1 a montre, en coupe, un exemple de dissipateur thermique selon l'invention, ce dissipateur étant une partie d'un collecteur de tube électronique ; - la figure 1 b montre, en coupe, un exemple de dissipateur thermique selon l'invention, ce dissipateur thermique étant une partie d'une anode de tube à rayons X ; les figures 2a à 2g illustrent différentes étapes de réalisation d'un dissipateur thermique selon l'invention. On se réfère aux figures 1 a, 1 b qui montrent des exemples non limitatifs dissipateurs thermiques 1 selon l'invention. Sur la figure l a, le dissipateur thermique est la paroi d'un collecteur d'électrons 100 destiné à recueillir électrons 101 en sortie d'une structure d'interaction 102 (seulement schématisée) d'un tube hyperfréquence 1 à interaction longitudinale. II est donc une partie de l'enceinte étanche du tube. Le dissipateur thermique aurait pu se situer à un autre endroit du tube, par exemple autour de la structure d'interaction. Sur la figure lb, le dissipateur thermique 1 une partie de l'anode 21 d'un tube à rayons X. Dans ces deux cas, le dissipateur thermique comporte une matrice métallique 2 contenant des particules de diamant 3. Cette matrice métallique 2 est enfermée dans une gaine 4 métallique étanche destinée à protéger le diamant de l'oxygène. II n'y a pas d'interaction entre diamant et l'oxygène. Dans l'exemple de la figure 1 a, le dissipateur thermique 1 de forme tubulaire est entouré d'un dispositif de refroidissement 104 à circulation de fluide. La paroi interne 5 du dissipateur thermique tubulaire est bombardée par les électrons 101 et sa paroi externe 6 est baignée par le fluide de refroidissement. La chaleur provenant essentiellement du bombardement électronique est transférée de la paroi interne vers la paroi externe 6 à travers la matrice 2 métallique à particules diamant. Au niveau de la paroi externe 6 s'opère un échange avec fluide de refroidissement. Dans l'exemple de la figure lb, le dissipateur thermique 1 fait partie de l'anode 21 d'un tube à rayons X. Le tube comporte dans une enceinte à vide 20 une cathode (non représentée) qui émet electrons 22 vers l'anode 21. Cette anode 21 comporte un support 1 à fonction de dissipateur thermique. Le dissipateur thermique est en forme de cylindre tronqué sa face 25 tronquée porte une cible 23 qui émet des rayons X 24 lorsqu'elle est percutée par les électrons 22. L'inclinaison de face 25 tronquée choisie de manière que les électrons percutent la cible avec un angle approprié. La cible 23 est généralement en tungstène. L'enceinte à vide comporte une zone perméable aux rayons X à proximité de l'endroit où les électrons 22 percutent la cible 23. L'autre face 26 du dissipateur thermique à l'opposé de la face tronquée 25 est destinée à être parcourue par un fluide d'un dispositif de refroidissement 27 de refroidissement. Le dissipateur thermique est de même nature celui de la figure 1 a avec la matrice métallique 2 contenant des particules de diamant 3 et sa gaine 4 de protection métallique étanche à l'oxygene. On choisira le matériau métallique de la matrice pour ses bonnes propriétés thermiques, c'est à dire pour sa conductivité thermique relativement élevée. Le cuivre, l'aluminium, le titane, le molybdène purs ou en alliage conviennent. La liste n'est pas limitative. En particulier le cuivre allié à l'alumine est intéressant. La taille des particules de diamant est supérieure à environ 50 micromètres et va jusqu'à environ 200 micromètres. Ces dimensions s'obtiennent facilement et donnent de bons résultats. Pour obtenir les meilleures performances les particules de diamant seront réparties de manière la plus homogène possible dans la matrice métallique de manière à éviter les points chauds. Tout type de diamant peut être utilisé en pratique, le diamant synthétique étant meilleur marché. La conductivité thermique du diamant est fonction de son degré de pureté. Elle va d'environ 900 W/m. C à environ 2300 W/m. C, la valeur la plus élevée correspondant à plus grande pureté et à une température proche de 20 à 50 C. Les proportions de diamant et de métal sont adaptées à la conductivité thermique recherchée. On choisira le matériau métallique de la gaine pour ses bonnes propriétés thermiques, c'est à dire pour sa conductivité thermique relativement élevée. Le cuivre, l'aluminium, le titane, le molybdène purs ou allies conviennent. La liste n'est pas limitative. Le cuivre sera choisi de préférence qu'il soit pur ou allié notamment à l'alumine. La gaine n'est forcément réalisée dans le même matériau que la matrice 2. Dans les tubes à vide, la mise sous vide se fait une operation d'étuvage à chaud pendant laquelle il se produit des dégazages de certains composants employés. L'ambiance à l'intérieur de l'enceinte peut être oxydante et si la gaine du dissipateur thermique placé à l'intérieur de l'enceinte n'était pas étanche, le diamant risquerait se sublimer. Dans certaines applications sous vide, le dissipateur thermique une partie au moins d'une enceinte étanche à l'intérieur de laquelle règne le vide (pression de l'ordre de 10-' Pa). C'est le cas du collecteur de la figure 1a. La matrice métallique chargée en particules de diamant sans sa gaine peut, selon ses dimensions et ses proportions en diamant en métal, ne pas être parfaitement étanche. Les particules de diamant n'adhèrent pas forcément parfaitement et partout au matériau la matrice. La gaine 4 elle maintient le vide dans l'enceinte. Une autre propriété de la gaine, recherchée dans certaines applications, est son aptitude à être brasée et c'est notamment les cas dans les tubes à vide. Le diamant est difficilement brasable. Sur les figures l a, la gaine 4 est brasée à la structure d'interaction 102 ainsi qu'au fond 105 du collecteur et sur la figure 1 b elle est brasée au dispositif de refroidissement 27. Une autre propriété de la gaine, recherchée dans certaines applications, son aptitude à être usinée. Le diamant est très difficilement usinable. simulations thermiques basées sur le dissipateur thermique de la figure b ont donné les résultats suivants. Une température maximum l'ordre de 845 C à l'interface cible-support sur la face tronquée a éte obtenue tandis qu'au niveau de l'autre face à l'interface avec le fluide de refroidissement la température était d'environ 100 C. L'épaisseur la gaine 4, réalisée en cuivre n'est que de 0,2 millimètre tandis que le diamètre de la cible n'est que de 0,8 millimètre. La matrice est en cuivre et les proportions, en masse, de matériau composite sont de 60% de cuivre et de 40% de diamant. Un flux thermique de 50kW/cm2 a pu être transporté, ce qui correspond à une puissance de 250 W au niveau de la cible. Cette simulation montre bien tous les avantages que l'on peut retirer de l'utilisation d'un tel dissipateur thermique tout en bénéficiant d'une fiabilité accrue. Le procédé de fabrication d'un dissipateur thermique selon l'invention est simple. En voici un exemple non limitatif illustré aux figures 2aà2g: On mélange des particules de diamant 3 et des particules du matériau de la matrice 2 dans les proportions désirées. On choisit ces particules tous sensiblement de même masse de manière à rendre le mélange le plus homogène possible. Les proportions en masse de diamant pourront aller de 5 à 50% par exemple, cela depend de la conductivité thermique recherchée. On verse ce mélange dans un conteneur métallique qui est une partie 30 de la gaine 4. (figure 2a) On peut, avant de fermer le conteneur, proceder à une première opération de compression au pilon 32 du mélange dans le conteneur, à froid (température ambiante) (figure 2b). Cette étape est facultative. On place sur le conteneur un couvercle 31 manière à matérialiser la totalité de la gaine. Le conteneur 30 et son couvercle 31 sont donc conformés selon la forme que doit prendre le dissipateur thermique (figure 2c). continue par une nouvelle étape de compression plus forte, à froid, en agissant à l'extérieur du conteneur 30 et de son couvercle 31. (figure 2d). Cette étape permet la fermeture par diffusion du conteneur et du couvercle de manière à rendre la gaine étanche 1. Cette compression autour de gaine est de préférence isostatique de manière à réaliser une matrice la moins poreuse possible. Les pressions peuvent atteindre de 1 à 5.108 Pascals. Après cette étape, la matrice peut encore être poreuse par endroit. Un traitement thermique va suivre, pourrait réaliser une simple compression latérale conteneur 30, si on plaçait le conteneur dans un moule 34 approprie (figure 2e). La fermeture étanche du conteneur et de son couvercle pour réaliser gaine serait obtenue ultérieurement lors du traitement thermique. Pour le traitement thermique (figure 2f), le dissipateur thermique est placé dans un moule 33. II est chauffé dans une atmosphère exempte d'oxygène pour ne pas risquer de détruire le diamant, et est comprime fortement. Cette compression à chaud peut se faire sous vide ou sous atmosphere inerte. La température de chauffage est inférieure à température de fusion de la gaine 4 et de la matrice 2. Le moule 33 doit supporter ' la fois la température de chauffage et la pression de l'ordre 107 Pascals ou plus. La durée du traitement thermique est telle que les matériaux jeu soient suffisamment malléables et elle dépend de l'inertie thermique l'ensemble représenté en figure 2f. Si la gaine et la matrice sont en cuivre, la température de traitement est au maximum de 1030 C et sa durée en général de quelques minutes voire 10 minutes au maximum. un usinage doit être effectué sur la gaine 4, on peut le faire sur le conteneur fermé avant le traitement thermique (figure 2 e) ou après. REVENDICATIONS 1. Dissipateur thermique comportant une matrice (2) métallique contenant des particules (3) de diamant, caractérisé ce que cette matrice metallique est insérée dans une gaine (4) métallique étanche destinée à protéger le diamant de l'oxygène. Dissipateur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce le matériau de la matrice (2) est choisi parmi le cuivre, l'aluminium, le titane, le molybdène ou leurs alliages. Dissipateur thermique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau de la gaine (4) est choisi parmi le cuivre, l'aluminium, le titane, le molybdène ou leurs alliages. 4. Dissipateur thermique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la taille des particules (3) de diamant est supérieure à environ 50 micromètres et va jusqu'à environ 200 micrometres. 5. Dissipateur thermique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la proportion de diamant, en masse, est comprise entre environ 5 et 50% par rapport au matériau de la matrice. 6. Dissipateur thermique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est une pièce composant un tube électronique à vide. 7. Dissipateur thermique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il appartient à une enceinte à vide, la gaine (4) maintenant le vide à l'intérieur de l'enceinte. 8. Dissipateur thermique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la gaine (4) est apte à être brasée. 9. Procédé de réalisation dissipateur thermique, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - réalisation d'un mélange comportant des particules de diamant et des particules de métal, - remplissage d'un conteneur (30) metallique avec ce mélange, positionnement d'un couvercle (31 métallique sur le conteneur rempli, - compression à chaud du conteneur (30) rempli avec couvercle (31) dans une atmosphère exempte d'oxygène, de manière à obtenir une matrice métallique contenant les particules diamant insérée dans une gaine métallique étanche formée par le conteneur (30) et le couvercle (31) et destinée à protéger le diamant de l'oxygène. 10. Procédé de réalisation selon revendication 9, caractérisé en ce que l'étape de compression à chaud précédée d'une étape de compression à température ambiante. 11. Procédé selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de compression du mélange dans le conteneur (30) avant le positionnement du couvercle (31). 12. Procédé selon la revendication caractérisé en ce que l'étape de compression à température ambiante est une compression isostatique. 13. Procédé selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que le conteneur est placé dans un moule (33, 34) pour l'étape de compression à chaud et/ ou pour l'étape compression à température ambiante. 14. Procédé selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'usinage conteneur (30) et/ou du couvercle (31). 15. Procédé selon l'une des revendications 9 à 14, caractérisé en ce que les particules de métal et les particules de diamant ont sensiblement la même masse.