Brevet FR2831891A1 — publié le 20030509

PROCEDE DE FABRICATION DE PLAQUES EN COMPOSITE METAL/CERAMIQUE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un procédé de fabrication de plaques, ou semelles, en composite métal/céramique. L'invention trouve des applications dans tous les domaines utilisant des drains thermiques ou substrats en composite métal/céramique et, en particulier, dans le domaine de la fabrication de composants électroniques destinés, par exemple, au domaine de l'électronique de puissance, de l'automobile, de l'aérospatiale, ou de l'aéronautique. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Il existe de premiers procédés de la fabrication de plaques en composite métal/céramique de l'art connu, qui partent de procédés métallurgiques connus tels que le coulage et le laminage. Mais ces procédés de fabrication imposent d'atteindre la fusion du métal avant d'incorporer les particules céramiques. Il est rare alors que le métal en fusion mouille bien les particules céramiques qui ont une densité beaucoup plus faible que celle du métal. De tels procédés de fabrication ne permettent donc pas d'obtenir une répartition parfaitement homogène des particules céramiques dans la matrice métallique. Il existe d'autres procédés de fabrication de plaques en composite métal/céramique de l'art connu, tels que : - le pressage d'un mélange de poudres, tel que décrit dans le document référencé [1] en fin de description ; mais un tel pressage d'un mélange de poudres conduit souvent à une densification médiocre du composite qui entraîne des problèmes d'interface métal/céramique, - le forgeage à chaud, ou - l'infiltration d'un métal en fusion dans un squelette ou préforme céramique, tel que décrit dans le document référencé [2]. Le procédé décrit dans ce document a l'inconvénient d'être coûteux et difficile à maîtriser pour de grands volumes. De plus, ce procédé ne permet pas d'obtenir une orientation des particules céramiques suffisante à de bonnes propriétés thermiques et mécaniques. Ceci est particulièrement important dans le cas d'un composite cuivre/fibre de carbone coupée, où celle-ci doit être orientée dans le plan de la plaque. Un autre procédé de fabrication est l'extrusion à chaud, qui est décrit dans les documents référencés [3] et [4]. Un tel procédé permet d'obtenir des composites denses. Mais ce procédé est coûteux et est utilisé pour des composites comprenant une matrice métallique très ductile avec un bas point de fusion (Tf L'invention a pour objectif de proposer un procédé de fabrication de plaques en composite métal/céramique présentant, une bonne conductivité thermique et une faible dilatation thermique, leur coefficient de dilatation thermique étant proche du silicium =4 x 10-6/oc ou des composants devant être déposés sur celles-ci ; tout en palliant les inconvénients des procédés de l'art connu. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de plaque de composite métal/céramique caractérisé en ce qu'il comprend les étape suivantes : une étape de mélange d'au moins une poudre métallique, d'au moins une poudre céramique et d'auxiliaires de mise en forme, - une étape de granulation, - une étape d'extrusion ou de calandrage de la pâte obtenue, une étape de densification des plaques obtenues qui comprend, par exemple des étapes de déliantage et de frittage dans un four, - une étape de laminage ou de pressage à l'épaisseur de plaque désirée qui peut être comprise entre quelques dixièmes de millimètres et quelques centimètres d'épaisseur, et en ce que la matrice métallique représente 10 à 95% en volume du composite obtenu ; les particules de poudres métallique (s) et céramique (s) ayant alors une répartition sensiblement homogène dans les plaques. Dans une variante de réalisation l'étape de laminage on de pressage est réalisée avant l'étape de densification des plaques. Avantageusement la pâte a un comportement rhéologique plastique et comprend les constituants suivants selon les proportions suivantes : - les poudres métallique (s) et céramique (s) représentent de 60% à 95% du volume de matière sèche, et - des liant et plastifiant représentent de 1% à 40% du volume de matière sèche, - un dispersant représente de 0, 01% à 2% du volume de poudres, - un lubrifiant représente de 0, 1% à 10% du volume de poudres. Avantageusement la granulométrie des poudres est comprise entre 0, lm et 200) J. m. La (ou les) poudre (s) métallique (s) comprend au moins l'un des composants suivants : cuivre, aluminium, argent, or, nickel, titane, chrome, zinc ou un alliage de ces métaux. La (ou les) poudres céramique (s) ont une bonne conductivité thermique et une faible dilatation thermique, et comprennent au moins l'un des composants suivants : graphite, fibre de carbone coupée, carbure, nitrure ou oxyde. Avantageusement les auxiliaires de mise en forme peuvent être un dispersant, un lubrifiant, et/ou des liant et plastifiant. Le dispersant, qui assure une répartition homogène des particules métallique (s) et céramique (s) dans la plaque, est un tensio-actif ou une macromolécule, comme les huiles naturelles ou synthétiques, les esters phosphoriques, les polyacrylates, les sulfonates, les perfluorates et acides à chaîne carboné de 2 à 30 atomes de carbone, par exemple l'acide stéarique. Les liant et plastifiant, qui assurent la cohésion de la pièce après sa mise en forme par extrusion ou calandrage sont tels que le liant est un polymère dont le poids moléculaire est compris entre 200000 et 5000 g/mol (gramme/mole), et est l'un des matériaux suivants : liant cellulosite, polyvinyle, polyéthylène glycol, alcool, butyralvinylique ou acrylique et le plastifiant est un polymère dont le poids moléculaire est compris entre 600 et 100 g/mol, et est l'un des matériaux suivants : polyéthylène glycol, ou dibutyle phtalate. Le lubrifiant, qui permet de diminuer les contraintes résiduelles, est l'un des matériaux suivants : stéarate, huile, graphite ou paraffine. Les auxiliaires de formes peuvent être thermofusibles et être fondus au cours du malaxage avec les poudre (s) métallique (s) et céramique (s). Avantageusement le procédé de l'invention comprend successivement les étapes suivantes : une étape de mélange des poudres métallique (s) et céramique (s), du dispersant, des liant et plastifiant, et/ou du lubrifiant par l'intermédiaire d'un malaxeur à double vis, une étape de désaération de la pâte obtenue, une étape d'extrusion de celle-ci à travers une filière, une étape de déliantage des plaques obtenues puis de frittage, dans un four continu, une étape de laminage des plaques frittées puis de pressage à l'aide d'un laminoir. Dans une variante de réalisation les particules de poudre (s) céramique (s) sont enrobées avec un matériau métallique. Ce matériau métallique peut être l'un des matériaux suivants : chrome, titane, nickel, zirconium, cuivre, argent ou or. L'épaisseur d'un tel enrobage métallique est d'au moins 10 nanomètres. Cet enrobage métallique peut être réalisé par immersion de poudre dans un bain d'électrolytique, chimique, ou par évaporation du métal à haute température. Le procédé de l'invention permet de fabriquer des plaques en composite métal/céramique présentant, par rapport aux procédés de l'art connu cités précédemment, les avantages suivants : - une bonne homogénéité du métal et de la céramique dans les plaques, - une adaptation à la fabrication de plaques de quelques dixièmes de millimètre à quelques centimètres d'épaisseur avec une bonne tolérance dimensionnelle sans retouche ou usinage des plaques, - de faibles pertes de matière au cours du procédé, - un excellent état de surface des plaques, - une composition de métal pouvant varier de 10% à 95% en volume, - un procédé très économique et pouvant fonctionner en continu, - une texture du composite, une orientation des particules ou grains dans la plaque, favorables à d'excellentes propriétés mécaniques et thermiques, - une diminution de la fatigue mécanique du composite au cycle thermique. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure unique illustre un exemple d'installation industrielle permettant de mettre en oeuvre le procédé de l'invention. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION L'invention concerne un procédé de fabrication de plaques en composite métal/céramique comprenant les étapes suivantes : - une étape de mélange d'au moins une poudre métallique, d'au moins une poudre céramique et d'auxiliaires de mise en forme tels que dispersant, lubrifiant, et/ou liantes) et plastifiant (s), - une étape de granulation, - une étape d'extrusion ou de calandrage de la pâte obtenue, - une étape de densification des plaques obtenues qui comprend, par exemple, des étapes de déliantage. et de frittage dans un four continu ou discontinu, - une étape de laminage ou de pressage à l'épaisseur de plaques désirée, qui peut être comprise entre quelques dixièmes de millimètres et quelques centimètres d'épaisseur. L'étape de laminage ou de pressage après l'étage de déliantage et de frittage permet de diminuer la fatigue mécanique du composite au cycle thermique, et d'améliorer les propriétés mécaniques et thermiques de celui-ci par écrouissage de la matrice métallique, ceci étant particulièrement marqué quand le métal est très ductile comme le cuivre, l'aluminium ou l'or. Une variante du procédé de l'invention consiste à laminer ou à presser les plaques avant l'étape de déliantage et de frittage, de façon à améliorer la densification du matériau. Selon l'invention les poudres métallique (s) et céramique (s) sont mélangées avec un tel dispersant, un tel lubrifiant, un tel ou de tels liant (s) et plastifiant (s) selon les proportions suivantes : - les poudres métallique (s) et céramique (s) constituent de 60% à 95% du volume de matière sèche, c'est-à-dire de l'ensemble du volume occupé par les poudres métallique (s) et céramique (s), et par le liant, le plastifiant, le lubrifiant et/ou le dispersant. - le dispersant constitue de 0, 01% à 2% du volume de poudres, - les liant et plastifiant constituent de 1% à 40% du volume de matière sèche, - le lubrifiant constitue de 0, 1% à 10% du volume de matière sèche. La granulométrie des poudres est comprise entre 0,1 Um et 200 Mm. La (ou les) poudre (s) métallique (s) peuvent être constituées en au moins un des matériaux suivants : cuivre, aluminium, argent, or, tungstène, nickel, titane ou un alliage de ces métaux. la (ou les) poudre (s) céramique (s) peuvent être constituées en au moins un des matériaux suivants : graphite, fibre de carbone coupée, carbures comme le carbure de silicium (SiC), nitrures comme le nitrure d'aluminium (AIN), ou oxydes comme la magnésie (MgO) ou alumine (Al203). Les auxiliaires de mise en forme peuvent être : un dispersant, qui assure une bonne désagglomération des particules entre elles. Ce dispersant est un tensio-actif ou une macromolécule, comme les huiles naturelles ou synthétiques, les esters phosphoriques, les polyacrylates, les sulfonates, les perfluorates et acide à chaîne carbonée de 2 à 20 atomes, l'acide oxalique et l'acide stéarique, - des liant et plastifiant, qui assurent la cohésion de la pièce après sa mise en forme par extrusion ou calandrage. Le liant est un polymère dont le poids moléculaire est compris entre 200000 et 5000 g/mol, et est par exemple un liant cellulosite, un polyvinyle alcool, un polyéthylène glycol un butyralvinylique ou un acrylique. Le plastifiant est un polymère dont le poids moléculaire est compris entre 600 et 100 g/mol par exemple un polyéthylène glycol, ou du dibutyle phtalate, - un lubrifiant, qui permet de diminuer les contraintes résiduelles. Celui-ci est par exemple, une stéarate, une huile, du graphite ou une paraffine. Ces auxiliaires de mise en forme, peuvent être thermofusibles, et être fondus au cours du malaxage avec les poudres métallique et céramique afin d'améliorer l'homogénéité du mélange et de diminuer le temps du mélange. Une variante du procédé de l'invention, consiste à enrober les particules céramiques avec un matériau métallique qui peut être du chrome, du titane, du nickel, du zirconium, du cuivre, de l'argent ou de l'or. L'épaisseur de l'enrobage métallique est d'au moins 10 nanomètres, et peut être réalisé par immersion de poudre dans un bain d'électrolytique, chimique ou par évaporation du métal à haute température. Cet enrobage permet d'améliorer d'une part les propriétés thermiques ou mécaniques et, d'autre part, la densification du matériau après frittage, en développant une interface métal/céramique. Un exemple d'installation permettant la mise en oeuvre du procédé de l'invention est illustrée sur la figure. Cette installation comprend : - un mélangeur 10 des différents constituants utilisés 11, qui permet le malaxage des poudres métallique (s), et céramique (s), du dispersant, des liant et plastifiant, et du lubrifiant, qui peut être un broyeur à balles, un malaxeur à bras en Z, ou à double vis (vis de malaxage 12) comme illustré sur la figure, - un couteau ou une grille 13 pour réaliser une granulation (granules 14), - une chambre 15 de désaération de la pâte constituée par ces granules 14, - une extrudeuse 16, qui comporte plusieurs vis sans fin, permettant de réaliser l'extrusion de la pâte à travers une filière 17 ou le calandrage, qui délivre des pièce en cru 20 - un four à atmosphère contrôlée (AT) et évaporation des liants (EL), qui peut être continu comme sur la figure ou discontinu, permettant de réaliser successivement le déliantage 23 (à basse température) des plaques 20 ainsi obtenues et le frittage 24 (à haute température, en dessous du point de fusion du métal utilisé), - un laminoir 22 ou une presse unidirectionnelle permettant de réaliser le laminage ou le pressage de plaques frittées. Selon cette forme d'exécution de l'invention, la pâte est préparée en mélangeant les poudres métallique (s) et céramique (s), avec le dispersant, le lubrifiant, le ou les liant (s) et plastifiant (s) à l'aide du malaxeur à double vis 12. La pâte malaxée est mise sous la forme de granules ou nouilles 14. Le procédé de l'invention consiste ensuite à désaérer et à extruder la pâte à travers la filière 17. Le liant et le plastifiant assurent la cohésion mécanique des plaques en cru 20 qui peuvent être stockées, découpées ou transportées facilement. Les composés organiques, principalement le liant et plastifiant, sont éliminés par un déliantage thermique (23) sous une chauffe très lente sous air ou sous atmosphère contrôlée (sous argon, ou sous azote). La vitesse de chauffe peut être, par exemple de 0, 2 C à 5OC/mn entre 100 C et 500 C. La densification des plaques peut être réalisée par un frittage (24) sous atmosphère contrôlée pour éviter l'oxydation des poudres. La température de frittage dépend de la granulométrie et de la nature de la poudre métallique et céramique : pour le cuivre cette température est de 7000C à 10500C et pour l'aluminium, cette température est de 4500C à 6500C. Les plaques sont ensuite laminées ou pressées à l'épaisseur fixée (22). Cette étape permet de redresser les plaques après frittage, mais également de diminuer la fatigue mécanique du composite au cycle thermique par écrouissage du métal. Ceci est particulièrement important quand le métal est très ductile comme le cuivre, l'aluminium ou l'or. L'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution de cette installation pour la fabrication de plaque en composite métal/céramique qui a été décrite ci-dessus à titre d'exemple. Elle couvre, en effet, toutes les variantes de réalisation quelle que soit la nature des auxiliaires de mises en forme qui entrent dans la formulation de la pâte. Exemple de mise en oeuvre du procédé de l'invention. Dans cet exemple le procédé de l'invention est mis en oeuvre dans une installation telle que celle illustrée sur la figure, pour fabriquer un drain thermique composite cuivre/fibre de carbone par extrusion. Selon cette forme d'exécution du procédé de l'invention, la pâte est préparée en mélangeant les poudres de cuivre et de fibre de carbone, avec un dispersant, un lubrifiant, des liant (s) et plastifiant (s) à l'aide d'un malaxeur à double vis à la température de 90 C comme illustré sur la figure. La poudre de cuivre a une granulomètrie comprise entre 1 et 50 micromètres et la fibre de carbone a un diamètre compris entre 5 et 20 micromètres, et une longueur comprise entre 50 et 500 micromètres. La fibre de carbone est recouvert d'une couche de carbure de chrome. Ce dépôt est obtenu en trempant la fibre de carbone dans un bain électrolytique de chrome. La fibre est ensuite coupée et placée dans un four sous atmosphère d'argon avec 5% d'hydrogène à 1200 C pendant 1 heure. Ce traitement thermique permet de faire réagir le chrome avec la fibre de carbone et de former une couche homogène de carbure de chrome à la surface de la fibre. La formulation de la pâte d'extrusion est définie ci-dessous : Fonction Nature Proportion massique Matrice Poudre de cuivre métallique Renfort céramique Fibre de carbone 7, 8% coupée Liant PEG 20000 306 (société Clariant) PlastifiantDibutylphtalate1, 2% 300 Dispersant Acide acétique Lubrifiant Huile de tournesol 0, 8% La pâte malaxée est mise sous la forme de granules ou nouilles 14. Le procédé consiste ensuite à désaérer et à extruder la pâte à travers une filière 17 à la température de 70 C. Le liant et le plastifiant assurent la cohésion mécanique des plaques en cru 20, qui peuvent être stockées, découpées ou transportées facilement. Les composés organiques, principalement le liant et plastifiant, sont éliminés par un déliantage thermique sous une chauffe très lente sous air ou sous atmosphère contrôlée. La vitesse de chauffe est de 0, 2 C/mn entre 1000C et 400 C. La densification de la plaque est réalisée par un frittage sous atmosphère d'argon avec 5% d'hydrogène pour éviter l'oxydation des poudres. Le frittage est réalisé avec une vitesse de montée en température de 5OC/mn jusqu'au palier de 10000C pendant une heure. Les plaques peuvent être ensuite rectifiées ou usinées. Les propriétés du composite cuivre/fibre de carbone ainsi obtenu sont : - une fraction volumique de fibre de carbure de 30% - un coefficient thermique d'expansion dans le sens longitudinal de la plaque : 10 à 12. 10-6/oC - une conductivité thermique dans le sens transversal à la plaque : 150 à 250W/m. K dans le sens longitudinal à la plaque : 200 à 350 W/m. K - une conductivité électrique : dans le sens longitudinal à la plaque : 2, 1 à 3,5 #.cm-1. REFERENCES [1] EP 0 898 310 [2] WO 97 19774 [3] US 5 722 033 [4] US 5 669 059 REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication de plaques en composites métal/céramique caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : une étape de mélange d'au moins une poudre métallique, d'au moins une poudre céramique et d'auxiliaires de mise en forme, - une étape de granulation, - une étape d'extrusion ou de calandrage de la pâte obtenue, - une étape de densification des plaques obtenues, - une étape de laminage ou de pressage à l'épaisseur de plaque désirée qui peut être comprise entre quelques dixièmes de millimètres et quelques centimètres d'épaisseur, et en ce que la matrice métallique représente 10 à 95% en volume du composite. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'étape de densification comprend des étapes de déliantage et de frittage dans un four. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape de laminage on de pressage est réalisée avant l'étape de densification des plaques. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la pâte a un comportement rhéologique plastique et comprend les constituants suivants selon les proportions suivantes : - la ou les poudres métallique et céramique représentent de 60% à 95% du volume de matière sèche, - des liant et plastifiant représentent de 1% à 40% du volume de matière sèche, - un dispersant représente de 0, 01% à 2% du volume de poudres, - un lubrifiant représente de 0, 1% à 10% du volume de poudres. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la granulométrie des poudres est comprise entre O, lm et 200pom. 6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la (ou les) poudre (s) métallique (s) comprend au moins l'un des composants suivants : cuivre, aluminium, argent, or, nickel, titane, chrome, zinc ou un alliage de ces métaux. 7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la (ou les) poudres céramique (s) comprend au moins l'un des composants suivants : graphite, fibre de carbone coupée, carbures nitrures ou oxydes. 8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les auxiliaires de mise en forme sont un dispersant, un lubrifiant, et/ou des liant et plastifiant. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le dispersant, qui assure une répartition homogène des particules de métal de céramique dans la plaque, est un tensio-actif ou une macro-molécule 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le dispersant est l'un des matériaux suivants : huile naturelle ou synthétique, esters phosphoriques, polyacrylates, sulfonates, perfluorates ou acides à chaîne carbonée de 2 à 30 atomes de carbone. 11. Procédé selon la revendication 8, dans lequel les liant et plastifiant, qui assurent la cohésion de la pièce après sa mise en forme par extrusion ou calandrage, sont tels que le liant, de poids moléculaire compris entre 200000 et 5000 g/mol, est l'un des matériaux suivants : liant cellulosite, polyéthylène glycol, polyvinyle alcool, butyralvinylique ou acrylique, et le plastifiant, de poids moléculaire compris entre 600 et 100 g/mol, est l'un des matériaux suivants : polyéthylène glycol, ou dibutyle phtalate. 12. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le lubrifiant, qui permet de diminuer les contraintes résiduelles, est l'un des matériaux suivants : stéarate, huile, graphite ou paraffine. 13. Procédé selon la revendication 8, dans lequel les auxiliaires de forme, qui sont thermofusibles, sont fondus au cours du malaxage avec les poudres métalliques (s) et céramique (s). 14. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les particules de poudre céramique sont enrobées un matériau métallique. 15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel ce matériau métallique est l'un des matériaux suivants : chrome, titane, nickel, zirconium, cuivre, argent ou or. 16. Procédé selon la revendication 14, dans lequel-l'épaisseur de l'enrobage métallique est d'au moins 10 nanomètres. 17. Procédé selon la revendication 14, dans l'enrobage métallique est réalisé par l'immersion de poudre dans un bain d'électrolytique, chimique, ou par évaporation du métal à haute température. 18. Procédé selon la revendication 1, comprenant successivement les étapes suivantes : - une étape de mélange des poudres métalliques, céramiques, du dispersant, des liant et plastifiant, et/ou du lubrifiant par l'intermédiaire d'un broyeur à, malaxeur ou à double vis, - une étape de désaération de la pâte obtenue, - une étape d'extrusion de celle-ci à travers une filière, - une étape de déliantage des plaques obtenues puis de frittage dans un four continu, - une étape de laminage des plaques frittées puis de pressage à l'aide d'un laminoir.