Elaboration, caractérisation et nouvelle architecture de matériaux composites Al/plaquettes de carbone pour des applications thermiques

Fabrication, architecture design, and characterization of a new Al/graphite flakes (Gf) composite used for thermal management

• Auteur / Autrice : Zhengyan Shen
• Direction : Jean-François Silvain, Gang Ji
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 16/12/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac)
• Jury : Président / Présidente : Mario Maglione
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gang Ji, Anne Joulain, Pierre-Marie Geffroy, Amélie Aurélie Mylène Veillere, Yongfeng Lu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Joulain, Pierre-Marie Geffroy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés thermiques

Microélectronique

Composites à matrice métallique

Mots clés libres

Aluminium

Plaquette de carbone

Architecture

Conductivité thermique

Coefficient de dilatation thermique

Propriétés mécaniques

Aluminium

Graphite flake

Architecture

Thermal conductivity

Coefficient of thermal expansion

Mechanical properties

Résumé

Dans l'industrie microélectronique, l'augmentation constante de la densité de puissance due à la miniaturisation des composants électroniques nécessite un matériau de dissipation thermique ayant une conductivité thermique élevée (CT), un faible coefficient de dilatation thermique (CTE) et des propriétés mécaniques (PM) appropriées pour une dissipation efficace de la chaleur. Des métaux purs, tels que Al et Cu, ont déjà été utilisés. Cependant, ils ont des CT limitées (ex. 240 W/m.K pour Al) et leurs CTE sont trop élevés (ex. 23 10-6/K pour Al), ce qui est incompatible avec ceux des composants électroniques (ex. 4 10-6/K pour Si), conduisant à une défaillance en service due à la fatigue thermique. À cet égard, les composites à matrice métallique se sont révélés être un matériau prometteur. Les matériaux en carbone, comme le graphite, le diamant et la fibre de carbone, ayant été introduits comme renforts en raison de leurs excellentes propriétés thermiques (c'est-à-dire un CT très élevé et un faible CTE) dans une matrice Al. Dans ces travaux de thèse, des matériaux composites à matrice en Al renforcé par des plaquettes de graphite peu coûteuses et facilement usinables (ci-après appelé composite Al/Gf) ont été développés dans le but de maximiser le CT, d'adapter le CTE proche de 6 10-6/K, ainsi que d'améliorer les PM.La CT intrinsèque du Gf est hautement anisotrope, c'est-à-dire 1000 W/m.K dans le plan et 5-10 W/m.K hors du plan. Il est donc clair que la bonne orientation de Gf dans la matrice d'Al assure un CT élevée, dans la direction du plan du graphite, ainsi qu’à l’échelle du matériau produit dans cette même direction. Dans cette étude, un procédé de remplissage des poudres étape par étape, a été appliquée avec succès afin d’obtenir cet arrangement 1D conventionnel. Ainsi, les valeurs de CT théoriques prévues les plus élevées peuvent être atteintes expérimentalement. En outre, les matériaux composites 2D et 3D de Gf ont été élaborés à l'aide de pistons spécialement conçus afin d'adapter le CTE anisotrope des Gf (c'est-à-dire -1 10-6/K dans le plan et 28 10-6/K hors plan). La structure 2D permet de réduire la CTE, qui est alors compatible avec celui du matériau du substrat (voisin de 8 10-6/K), tout en maintenant une CT élevée. Enfin, les efforts ont été consacrés à renforcer la matrice Al en intégrant des nanoparticules dispersées (ex-situ) de SiC et (in-situ) de TiB2 pour améliorer les PM globales du composite Al/Gf.

In the microelectronic industry, the ever increase in power density due to miniaturization of electronic components requires heat sink materials with a high thermal conductivity (TC), a low coefficient of thermal expansion (CTE), and specific mechanical properties (MP). Pure metals, such as Al and Cu, have been previously used. However, they have limited TCs (e.g. 240 W/m.K for Al) and their CTEs are too high (e.g. 23 × 10-6/K for Al), being incompatible with those of electronic components (e.g. 4 × 10-6/K for Si), leading to failures in service due to thermal fatigue. Regarding this, metal matrix composites have been proven to be promising material where carbon materials, such as graphite, diamond, and carbon fibres, have been introduced as reinforcements because of their excellent thermal properties (i.e. very high TC and low CTE). In this Ph.D. project, Al matrix composites reinforced with low-cost and easily machinable graphite flakes (hereafter called Al/Gf composite) were developed with the aim to maximize TCs, tailor CTEs close to 6×10-6/K, as well as improve MPs.The intrinsic TCs of Gf are highly anisotropic, i.e. in-plane TC of 1000 W/m.K and out-of-plane TC of 5-10 W/m.K, respectively. It is thus clear that the strong orientation of Gf in the Al matrix ensures the high TCs, along the direction of graphite plane, in the as-produced composite. In this study, a new approach to combining flake powder metallurgy with a step-by-step powder filling process was successfully applied to achieve this conventional 1D arrangement. As such, the highest TC values theoretically predicted can be achieved experimentally. Further, the 2D and 3D arrangements of Gf were made using specifically designed punches in order to tailor the anisotropic CTEs of Gf (i.e. in-plane CTE of -1 × 10−6/K and out-of-plane CTE of 28 × 10−6/K), being unavailable in the 1D arrangement. The 2D arrangement allows to achieve the reduced CTEs being compatible with those of the substrate materials while maintaining a high TCs, demonstrating the strong potential for applications. Finally, the efforts were devoted to strengthen the Al matrix by integrating dispersed (ex-situ) SiC and (in-situ) TiB2 nanoparticles to improve the overall MPs of the Al/Gf composites.