Brevet FR2841805A1 — publié le 20040109

i L'invention concerne un procédé de fabrication d'un produit composite et en particulier d'un drain thermique utilisé dans des montages électroniques. Il est connu d'utiliser, dans des montages électroniques, pour dissiper la chaleur des composants électroniques, des produits en matériau composite, appelés drains thermiques, qui peuvent être par exemple sous forme de plaques, de boîtiers ou de profilés de formes plus ou moins complexes. De tels drains thermiques, qui sont fixés par exemple sur des plaques de circuits électroniques, sont utilisés dans tous les secteurs de l'électronique, dans la construction automobile et dans l'aéronautique. Le matériau constitutif de ces drains thermiques doit présenter une bonne conductivité thermique et des propriétés de dilatation qui peuvent être contrôlées, de manière à limiter les contraintes, lors de variation de température du substrat sur lequel ils sont fixés. On connaît en particulier de tels drains thermiques sous la forme de produits en matériau composite comportant une matrice constituée de cuivre ou d'un alliage de cuivre et des particules de carbone dispersées dans la matrice qui peuvent être constituées par des poudres de graphite ou des fibres de carbone coupées. Pour fabriquer de tels matériaux composites cuivre-carbone (ou encore aluminium-carbone), on a proposé de réaliser une infiltration du métal en fusion dans une préforme en carbone, ce procédé étant décrit par exemple dans le EP-0.898.310. On a proposé également de fabriquer les produits en matériau com25 posite par pressage isostatique de particules de diamant ou de fibres de carbone revêtues d'une couche du métal de la matrice métallique, par exemple du cuivre ou de l'aluminium. Le revêtement des particules de carbone par le métal de la matrice peut être réalisé par pulvérisation cathodique ou par un procédé électrochimique, comme décrit par exemple dans les de30 mandes de brevet EP-0.660.400 et WO-99/00524. De tels procédés de revêtement ont l'inconvénient d'être très coteux et difficiles à mettre en oeuvre dans le cadre d'une fabrication industrielle des drains thermiques. On a proposé plus généralement de fabriquer de tels produits en matériau composite pour drains thermiques par différents procédés de métallurgie des poudres mais ces procédés nécessitent généralement un revêtement préalable des poudres, de telle sorte qu'ils sont généralement coteux. Le but de l'invention est de proposer un procédé de fabrication d'un produit composite comportant une matrice constituée principalement de cuivre et des particules de carbone dispersées dans la matrice, ce procédé étant peu coteux et pouvant être mis en oeuvre facilement dans le cadre d'une fabrication industrielle. Dans ce but: - on prépare un mélange homogène d'une poudre renfermant principalement du cuivre et de particules de carbone, - on réalise un pressage à froid du mélange de poudre et de particules de carbone pour obtenir un produit intermédiaire, et - on densifie le produit intermédiaire par au moins une étape de travail à chaud. De préférence, on introduit, dans le mélange homogène de poudre, de cuivre et de particules de carbone, un lubrifiant qui assure, lors du mélange des poudres et du pressage à froid, une répartition homogène des particules de carbone dans le mélange de poudre et dans le produit composite obtenu par le procédé. De préférence, on réalise sur les particules de carbone, un dépôt de chrome ou d'un composé de chrome tel que le carbure de chrome, avant de mélanger ces particules à la poudre de cuivre. L'invention est également relative à l'application du procédé à la fabrication d'un drain thermique pour un circuit électronique, dont les propriétés mécaniques et thermiques peuvent être contrôlées. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, en se référant aux figures jointes en annexe, la mise en oeuvre du procédé se30 Ion l'invention et selon plusieurs variantes. Les figures 1 à 9 sont des représentations schématiques de neuf étapes successives d'un procédé de fabrication de drains thermiques en maté- riau composite cuivre-carbone, sous la forme de produits plats tels que des bandes ou plaques. Les produits de départ utilisés pour la fabrication des drains thermiques sont des poudres de cuivre et des particules de carbone qui peuvent être des poudres ou des fibres. La poudre métallique destinée à constituer la matrice est principalement constituée de cuivre. Cette poudre peut être constituée de cuivre pur qui ne renferme d'autres éléments que le cuivre, qu'à titre d'éléments résiduels en très faible quantité et provenant de l'élaboration du cuivre. Le maté10 riau de la poudre métallique peut être également un alliage de cuivre renfermant, de 0,1 à 10 atomes pour cent d'au moins un élément d'addition choisi parmi les éléments suivants: AI, Cr, Zr, Ti, Si, V, Mn, Hf, Fe, Y. Dans tous les cas, la poudre métallique sera désignée par la suite comme poudre de cuivre, que cette poudre soit constituée de cuivre pur ou d'un alliage de cuivre. De préférence, la poudre de cuivre est constituée de particules à structure dendritique ou sensiblement dendritique qui peut être obtenue par exemple par électrolyse d'un sulfate de cuivre. Une telle structure dendritique des poudres de cuivre améliore la cohésion après pressage à froid et la densification du produit intermédiaire obtenu par pressage des poudres ainsi que la répartition des particules de carbone dans la matrice de cuivre du produit. Dans tous les cas, on utilise du cuivre pur ou un alliage de cuivre, de manière à ce que la conductivité thermique de la matrice du produit soit la plus élevée possible et généralement proche de 400 W/mK. De manière ty25 pique, la poudre de cuivre peut présenter une granulométrie de l'ordre de 0,5 pm à 200 pm. Les particules de carbone peuvent être sous forme d'une poudre de carbone, par exemple une poudre de graphite ayant une granulométrie comprise entre 0,1 prm et 50 pm. Les particules de carbone peuvent être également constituées par des fibres coupées de carbone ayant un diamètre compris entre 5 pm et 20 prm et une longueur comprise entre 50 pm et 5 mm. Les fibres de carbone du commerce sont généralement revêtues d'une couche de matériau époxy appelée ensimage, de manière à les protéger. Pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, les fibres de carbone peuvent être préalablement désensimées, comme il sera expliqué plus loin. Les fibres peuvent être également utilisées sans être désensimées. On va maintenant décrire un exemple de mise en oeuvre du procédé suivant l'invention en se référant aux figures. Sur la figure 1, on a représenté de manière schématique une cisaille 2 de découpage des fibres de carbone 1 du commerce, par exemple sous forme de faisceaux de fibres. Comme indiqué plus haut, le découpage des fibres de carbone est réalisé de manière à obtenir des tronçons ayant une longueur comprise entre 50 pm et 5 mm. Sur la figure 2, on a représenté un four 3 à l'intérieur duquel on réalise le désensimage des fibres coupées obtenues par découpage par élimination thermique de la couche de matériau époxy recouvrant les tronçons de fibres. De manière typique, le four 3 réalise un désensimage des fibres à une température de l'ordre de 4500C pendant une durée de l'ordre de deux heures. Il est possible cependant de réaliser le désensimage des fibres à une température inférieure, par exemple de l'ordre de 3000C, avec un temps de maintien dans le four au moins égal à une heure, suivant l'épaisseur du revêtement d'époxy des fibres; on peut également réaliser le désensimage en plongeant les fibres dans l'acétone pendant quelques heures. Sur la figure 3, on a représenté un bac 4 dans lequel on réalise sur les fibres coupées qui ont un diamètre moyen de 6 pm et une longueur de pm à 5 mm, un dépôt de chrome ou d'un sel de chrome par immersion des fibres avec agitation, dans un bain contenant un sel de chrome et de l'éthanol. On réalise l'immersion et l'agitation des fibres pendant quelques minutes à l'intérieur du bac 4, de telle sorte que les fibres se recouvrent d'une couche d'un composé de chrome, après séchage des fibres. Il est possible également de recouvrir les fibres coupées par une couche de chrome ou d'un alliage ou composé de chrome obtenu par dépôt électrolytique, le bac 4 étant alors un bac d'électrolyse contenant une solution électrolytique à base de chrome. L'agitation des tronçons de fibres dans le bac de revêtement 4 par un sel de chrome peut être réalisée par un malaxeur ou un broyeur à billes immergé dans le bac 4 ou par des pointes à ultrasons. Les fibres revêtues sont extraites du bac 4 et introduites dans une étuve, à une température qui peut être de 80'C pendant une durée qui peut être de 10 mn. Les fibres coupées séchées sont ensuite placés dans un creuset en alumine. Sur la figure 4, on a représenté un four 5 dans lequel on réalise un traitement thermique des fibres à une température de 1000'C à 12000C, pendant une durée de l'ordre d'une heure, sous un flux d'argon contenant environ 5 % d'hydrogène. La couche de sel de chrome déposée sur les tronçons de fibres se décompose en chrome et il se forme éventuellement du carbure de chrome à la surface des fibres pendant le traitement thermique. Cette technique permet d'obtenir des dépôts homogènes de chrome, d'al15 liage de chrome ou de carbure de chrome d'une épaisseur de 0,11 pm à 1 pm sur la surface des tronçons de fibres. Sur la figure 5, on a représenté un mélangeur 3D 6 qui peut être un agitateur, par exemple un dispositif vendu sous la dénomination commerciale "TURBULA 3D". Le mélangeur 6 pourrait être également un mélangeur ou un broyeur à billes. On introduit, dans le mélangeur 6, la poudre de cuivre et les particules de carbone, par exemple les fibres coupées revêtues d'une couche de chrome obtenue précédemment. Il serait possible également d'utiliser, comme particules de carbone, des poudres de graphite revêtues ou non d'une couche de chrome et de carbure de chrome. On introduit dans le mélangeur 6 de la poudre de cuivre, en une quantité représentant de 30 % à 70 % du volume total du mélange à réaliser et des particules de carbone représentant, en volume, de 30 % à 70 % du mélange à réaliser. On ajoute au mélange de poudre sèche qui représente de 95 % à 99,99 % du volume total introduit dans le mélangeur 6, 0,01 % à % en volume d'un lubrifiant qui peut être par exemple une huile naturelle ou végétale telle que l'huile d'olive ou de tournesol ou une huile synthétique. De manière typique, les proportions volumiques de la poudre de cuivre, des particules de carbone et du lubrifiant introduits dans le mélangeur peuvent être les suivantes: 0,1 % d'huile de tournesol ou autre lubrifiant, 59,9% de poudre de cuivre, 40 % de fibres de carbone coupées. On peut également ajouter, au mélange de poudres, des billes de mélange en acier inoxydable, en acier non allié, en alumine, ou en zircone, de façon à casser les agrégats et améliorer l'homogénéité du mélange. On réalise dans le mélangeur 6 un mélange homogène de la poudre de cuivre, des particules de carbone et du lubrifiant. Puis on introduit le mé10 lange homogène obtenu à l'intérieur d'une presse à froid 7, comme représenté sur la figure 6. On réalise le pressage à froid, c'est-à-dire en fait à la température ambiante, par exemple de l'ordre de 150C à 20'C, du mélange de poudre et de lubrifiant pour obtenir une plaque 8 constituant un produit intermédiaire dans la fabrication d'un drain thermique. De manière typique, les poudres et le lubrifiant sont soumis à une pression de 200 à 600 MPa pendant l'étape de pressage à froid. Le lubrifiant recouvrant les poudres permet d'améliorer l'homogénéité du produit intermédiaire obtenu par pressage à froid, du fait que la répartition des particules de carbone est facilitée par la présence du lubrifiant. Comme représenté sur la figure 7, à titre de variante, en particulier dans le cas o le produit composite à obtenir est un produit plat tel qu'une bande ou une plaque, au lieu d'un pressage à froid du mélange de poudre et de lubrifiant, on peut effectuer un laminage à froid, c'est-à- dire à une température ambiante, par exemple de l'ordre de 150C à 200C, du mélange de poudre et de lubrifiant. Sur la figure 7, on a représenté les cylindres 9 d'un laminoir à froid entre lesquels on introduit, par l'intermédiaire d'une trémie 10 et éventuellement d'un répartiteur 11, le mélange de poudre qui est déversé depuis la trémie 10 jusqu'à l'espace entre les cylindres par l'intermédiaire du réparti30 teur 11. On obtient, en sortie du laminoir, un produit intermédiaire 8' constitué par une bande compactée par laminage à froid qui peut être utilisée comme produit intermédiaire à la place d'une plaque 8 compactée à froid. Comme il est visible sur la figure 8, on utilise une thermopresse 12 pour effectuer le forgeage à chaud de la plaque 8 obtenue par pressage à froid ou d'un tronçon de la bande 8' obtenue par laminage à froid, pour compacter et densifier le produit intermédiaire 8 (ou 8'). Le produit intermédiaire est porté à une température de forgeage à chaud comprise entre 600'C et 1 0000C et de préférence proche de 8000C. La pression de forgeage à chaud est supérieure à 10 MPa et de préférence proche de 50 MPa. La pression est maintenue dans la thermopresse 12, sur le produit intermédiaire 8 ou 8', pendant une durée pouvant aller de 1 seconde à quelques minutes, de pré10 férence sous une atmosphère contrôlée (neutre, réductrice ou sous vide) pour éviter l'oxydation de la poudre de cuivre. Comme représenté sur la figure 9, à titre de variante, le produit intermédiaire tel que la bande laminée à froid 8' peut être compacté et densifié par laminage à chaud avec passage de la bande dans un four de chauffage 13 dans lequel on maintient une atmosphère de gaz neutre qui est introduit dans l'enceinte du four par un ajutage 14a, l'atmosphère du four étant évacuée en continu par un second ajutage 14b. La bande peut être chauffée par des brleurs 15. La bande 8' qui a été précédemment compactée ou laminée à froid est soutenue à l'intérieur du four par une sole ou grille 16. A la sortie du four de chauffage, la bande est déplacée à l'intérieur du four par des rouleaux transporteurs 19, puis introduite à la température du four de chauffage entre des cylindres de laminage à chaud 17 qui assurent le compactage et la densification du produit 18 sous forme de bande. Le produit est laminé à une température comprise entre 6000C et 9000C et de préférence proche de 800'C. La bande 18 densifiée par laminage à chaud est refroidie et découpée sous la forme de plaques 20 pouvant être utilisées comme drains thermiques. Le travail à chaud de la bande peut être une opération de forgeage assurant uniquement une mise en compression du produit intermédiaire à une température de forgeage, comme il vient d'être décrit, ou encore une opération de forgeage ou matriçage entre des matrices donnant une forme particulière au produit composite final obtenu. De même, le laminage peut être un simple laminage de produit plat, comme il a été décrit, ou encore un laminage entre cylindres cannelés pour obtenir un profilé d'une forme quelconque. Le travail à chaud du métal peut être également un forgeage ou un matriçage complexe pour obtenir un produit mis en forme tel qu'un boîtier ou une partie de boîtier ou encore un élément d'échange thermique du type radiateur présentant des ailettes de refroidissement. Après le travail à chaud, on peut soumettre le produit à un recuit sous atmosphère réductrice (par exemple mélange azote/hydrogène, ou hydro10 gène), à une température de 3000C à 5000C, pour relaxer les contraintes et éliminer les oxydes résiduels du produit. Dans tous les cas, le procédé suivant l'invention qui combine un pressage à froid et un travail à chaud du produit intermédiaire obtenu par le pressage à froid de poudres de cuivre et de carbone en présence de lubri15 fiant permet d'obtenir un produit final pouvant constituer par exemple un drain thermique ayant un coefficient de dilatation thermique dans le sens longitudinal (dans le cas d'une plaque) de 6 à 12.10-6/1C. Ce coefficient de dilatation thermique peut être contrôlé par contrôle de la proportion de particules de carbone allant de 20 % à 50 % en volume dans le produit obtenu. Dans le cas d'une plaque telle que le produit 20 obtenue à l'issue du forgeage ou du laminage à chaud, la conductivité thermique de la plaque est de 150 à 250 W/m.K dans le sens transversal et de 180 à 300 W/m.K dans le sens longitudinal. La conductivité électrique de la plaque est de 2,1 à 3,5 pncm-1 dans le sens longitudinal de la plaque et peut être contrôlée par contrôle de la proportion de particules de carbone. On obtient donc, de manière simple et peu coteuse, par un procédé facilement industrialisable, un drain thermique qui peut présenter la forme d'un produit plat ou toute autre forme telle qu'une forme profilée, par exem30 pie une forme de gouttière, ou encore une forme complexe, par exemple une forme de radiateur comportant des ailettes. Les particules de carbone peuvent être de formes très diverses (fibres, particules ou autres). En particulier, elles peuvent être constituées par des nanotubes, c'est-à-dire des tubes de dimensions nanométriques, dont les longueurs peuvent être proches de celles des fibres coupées. L'invention peut être utilisée pour obtenir tout substrat de montage électronique devant présenter en particulier une bonne conductivité thermi5 que et électrique et un faible coefficient de dilatation thermique. REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication d'un produit composite (20) comportant une matrice constituée principalement de cuivre et des particules de carbone dispersées dans la matrice, caractérisé par le fait: - qu'on prépare un mélange homogène d'une poudre renfermant principalement du cuivre et de particules de carbone; - qu'on réalise un pressage à froid du mélange de poudre et de particules de carbone pour obtenir un produit intermédiaire (8, 8'); et - qu'on densifie le produit intermédiaire (8, 8') par au moins une étape de travail à chaud. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le mélange de poudre et de particules de carbone renferme, en volume, de % à 70 % d'une poudre renfermant principalement du cuivre, de 30 % à % de particules de carbone ainsi qu'un lubrifiant constituant de 0,01 % à 5 % en volume du mélange de poudre de cuivre et de particules de carbone. 3.- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait qu'on ajoute, au mélange de poudre et de particules de carbone, des billes de mélange en l'un des matériaux suivants: acier inoxydable, acier non allié, alumine, zircone. 4.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que la poudre renfermant principalement du cuivre est une poudre de cuivre pur ou d'un alliage de cuivre ayant des particules à structure sensiblement dendritique. 5.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4, carac25 térisé par le fait que les particules de carbone sont constituées par des particules de poudre de graphite ayant une granulométrie comprise entre 0, 1 pm et 50 pm. 6.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que les particules de carbone sont constituées par des tron30 çons de fibre de carbone ayant un diamètre compris entre 0, 5 pm et 20 pm et une longueur comprise entre 50 pm et 5 mm, ou des nanotubes. 7.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le mélange homogène de la poudre de cuivre et des il particules de carbone est réalisé dans un mélangeur tel qu'un broyeur à billes, ou un mélangeur 3D. 8.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le pressage à froid est réalisé à une température am5 biante, à l'intérieur d'une presse. 9.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le pressage à froid du mélange de poudre est réalisé par laminage à froid des poudres, à une température ambiante. 10.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'on densifie le produit intermédiaire (8, 8') par une étape de forgeage à chaud à une température comprise entre 600'C et 10000C et à une pression supérieure à 10 MPa, et de préférence proche de MPa. 11.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, ca15 ractérisé par le fait qu'on densifie le produit intermédiaire (8, 8') par au moins une étape de laminage à chaud entre 6000C et 9000C et par exemple à une température proche de 8000C. 12.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait qu'on dépose une couche de chrome et/ou de carbure de chrome sur les particules de carbone, avant le mélange avec la poudre renfermant principalement du cuivre. 13.- Procédé suivant la revendication 12, caractérisé par le fait que la couche de chrome et/ou de carbure de chrome déposée sur les particules de carbone présente une épaisseur comprise entre 0,1 pm et 1 prm. 14.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 12 et 13, caractérisé par le fait qu'on réalise le dépôt d'une couche d'un sel de chrome sur les particules de carbone, par immersion et agitation des particules de carbone dans un bain du sel de chrome, en présence d'éthanol, puis qu'on traite à une température comprise entre 10000C et 12000C, pendant une durée d'environ une heure, les particules de carbone recouvertes du sel de chrome, sous un flux d'argon renfermant environ 5 % d'hydrogène. 15.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 14, pour la fabrication d'un produit composite ayant l'une des formes suivantes: bande ou plaque, profilé, boîtier ou partie de boîtier, radiateur comportant des ailettes. 16.- Procédé suivant la revendication 15, pour la fabrication d'un drain thermique pour un circuit électronique, dont les propriétés mécaniques et thermiques peuvent être contrôlées.