Films diamantés pour applications en packaging électronique de puissance

par Thomas Guillemet

Thèse de doctorat en Physico-Chimie de la Matière Condensée

Sous la direction de Jean-François Silvain, Jean-Marc Heintz, Namas Chandra et de Yongfeng Lu.

Soutenue le 08-08-2013

à Bordeaux 1 en cotutelle avec l'University of Nebraska , dans le cadre de École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde) , en partenariat avec Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac) (laboratoire) et de Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux / ICMCB (laboratoire) .

Le jury était composé de Jean-François Silvain, Jean-Marc Heintz, Namas Chandra, Yongfeng Lu, Jeffrey Shied, Kevin David Cole.

Les rapporteurs étaient Jeffrey Shied, Kevin David Cole.

mots clés

• Electronique de puissance
• Diamant
• Interfaces
• Propriétés thermiques
• Métallurgie des poudres
• Combustion de flamme
• Diamant -- Couches minces
• Chimie des surfaces
• Électronique de puissance
• Métallurgie des poudres
• Combustion
• Matériaux -- Propriétés thermiques

Résumé

Ce travail de thèse porte sur le développement de films diamantés pour des applications de dissipation de chaleur dans les circuits électroniques de puissance. Dans le cadre d’un accord de cotutelle franco-américain, une approche duale a été adoptée. En France, la fabrication de films composites à matrice cuivre et renforts diamant par métallurgie des poudres a été privilégiée. Aux Etats-Unis, les efforts se sont concentrés sur la croissance de films de diamant par une méthode de combustion de flamme assistée laser. Dans chacune des approches, les corrélations entre microstructure et interfaces (microscopies à balayage et à transmission), composition chimique (spectroscopies Auger, Raman, XPS), et propriétés thermiques (radiométrie flash laser, radiométrie photothermique infrarouge, dilatométrie, cyclage thermique) ont été établies. Enfin, la simulation du comportement des matériaux en situation de fonctionnement opératoire à été abordée.

mots clés

• Power electronics
• Diamond
• Interfaces
• Thermal properties
• Powder metallurgy
• Combustion flame

Titre traduit

Diamond-based heat spreaders for power electronic packaging applications

Résumé

This PhD work deals with the development of diamond-based heat-spreading films for power electronic packaging applications. In the frame of a French-American dual PhD agreement, a double research approach was adopted. In France, the fabrication of copper-matrix diamond-reinforced composite films through tape casting and hot pressing has been endeavoured. In the US, the efforts were focused on the growth of diamond films through laser-assisted combustion synthesis. In both cases, relationships between the microstructure and the interfaces (scanning and transmission electron microscopy), the chemical composition (Auger, Raman, and XPS spectroscopy), and the thermal properties (flash laser radiometry, infrared photothermal radiometry, dilatometry, thermal cycling) of the final materials were established. Finally, the behaviour of the materials in operating environment was simulated.