Drains thermiques adaptatifs : cuivre allié / Fibre de Carbone

Copper alloys/Carbon fibres : adaptive heat sink material

• Auteur / Autrice : Amélie Aurélie Mylène Veillere
• Direction : Jean-François Silvain, Jean-Marc Heintz, Joël Douin, Namas Chandra
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 29/09/2009
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Silvain, Jean-Marc Heintz, Joël Douin, Namas Chandra, Jean-Marc Chaix, Zoubir Khatir, Sélim Dagdag, Claude Delmas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marc Chaix, Zoubir Khatir

Mots clés

Mots clés libres

Matériau composite

Fibre de carbone

Méthode des citrates

Pulvérisation cathodique

Métallurgie des poudres

Conductivité thermique

Coefficient d’expansion thermique

Nanoindentation

Composite material

Carbon fiber

Citrate method

Cathode sputtering

Powder metallurgy

Thermal conductivity

Oefficient of thermal expansion

Nanoindentation

Résumé

Dans le domaine de l'électronique de puissance, la gestion thermique de l'intégration des puces en silicium au sein du système global constitue un problème clé. La chaleur dissipée par les composants électriques est évacuée vers l’extérieur à travers un drain thermique, généralement en cuivre, qui est brasé sur le substrat céramique. Cette étude est consacrée à l'élaboration de drains thermiques adaptatifs en matériaux composites cuivre allié/fibres de carbone (FC) qui combinent une bonne conductivité thermique et un CTE proche de celui du substrat. Dans ce type de matériau, la liaison interfaciale renfort/matrice doit être forte afin d'optimiser le transfert des propriétés entre les deux composants. Le couple cuivre/carbone étant non réactif, un élément d’addition carburigène (Cr ou B) est ajouté à la matrice de cuivre afin de créer cette liaison chimique forte. Un matériau modèle a été réalisé par pulvérisation cathodique afin d’étudier la diffusion de l’élément d’addition au sein de la couche de cuivre vers la zone interfaciale et la formation d’un carbure métallique. Une méthode de chimie des solutions a ensuite été utilisée pour élaborer des poudres de cuivre allié de stœchiométrie donnée. Enfin, les matériaux composites (Cu-B/FC et Cu-Cr/FC) ont été élaborés par métallurgie des poudres et leurs propriétés thermiques et mécaniques corrélées à la microstructure et à la chimie des zones interfaciales

In the field of power electronics, thermal management of silicon chips plays a key role in our ability to increase their performance. Heat generated by the electronic components is dissipated through the heat sink, generally made of Copper that is brazed on to a ceramic substrate. This study focuses on the elaboration of adaptive heat sink material using Copper alloys/Carbon fibers (CF) composite materials which have a good thermal conductivity and a CTE close to the ceramic substrate. In this kind of material, it is necessary to have a strong matrix/reinforcement link in order to optimize transfer properties. Since there is no reaction between Copper and Carbon, a carbide element (Cr or B) is added to the Copper matrix to create this strong chemical bond. A model material has been elaborated by cathode sputtering in order to study the diffusion of the alloying element in the Copper layer and the metallic carbide formation in the interfacial zone. Copper alloy powders, with a given stoichiometry, have also been synthesized by a chemical method. Lastly, composite materials (Cu-B/CF and Cu-Cr/CF) have been elaborated by a powder metallurgy process and their thermal and mechanical properties correlated to the microstructure and the chemistry of the interfacial zones.