ES2280801T3 - Procedimiento de fabricacion de un producto compuesto y en especial de un drenaje termico. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de fabricación de un drenaje térmico (20) compuesto para un circuito electrónico, que presenta una buena conductividad térmica y un coeficiente de dilatación térmica reducido, que comprende una matriz hecha de cobre puro o de una aleación de cobre, y fibras de carbono dispersas en la matriz, en el cual : - se prepara una mezcla homogénea de polvo de cobre que comprende cobre puro o una aleación de cobre, y de fibras de carbono ; - se realiza luego un prensado en frío de la mezcla de polvo de cobre y de fibras de carbono, en una prensa en frío o una laminadora en frío, para obtener un producto intermedio (8, 8'') ; - se densifica luego el producto intermedio (8. 8'') mediante al menos una etapa de trabajo en caliente a una temperatura comprendida entre 450°C y a 1000°C, en una prensa de forjado en caliente o una laminadora en caliente.
Description
Procedimiento de fabricación de un producto
compuesto y en especial de un drenaje térmico.
La invención se refiere a un procedimiento de
fabricación de un producto compuesto y en especial de un drenaje
térmico utilizado en montajes electrónicos.
Es conocida la utilización, en montajes
electrónicos, para disipar el calor de los componentes electrónicos,
de productos de material compuesto, llamados drenajes térmicos, que
pueden presentarse, por ejemplo, en forma de placas, de cajas o de
perfilados de formas más o menos complejas. Tales drenajes térmicos,
que están fijados por ejemplo sobre placas de circuitos
electrónicos, son utilizados en todos los sectores de la
electrónica, en la construcción automóvil y en la aeronáutica.
El material que constituye estos drenajes
térmicos debe presentar una buena conductividad térmica y
propiedades de dilatación controlables, para limitar las tensiones,
durante las variaciones de temperatura del sustrato sobre el cual
están fijados.
Se conocen, en especial, tales drenajes térmicos
en forma de productos de material compuesto que comprenden una
matriz hecha de cobre o de una aleación de cobre y de partículas de
carbono dispersas en la matriz que pueden estar hechas de polvos de
grafito o fibras de carbono cortadas.
Para fabricar estos materiales compuestos
cobre-carbono (o también
aluminio-carbono), se ha propuesto realizar una
infiltración de metal fundido en una preforma de carbono, estando
este procedimiento descrito por ejemplo en el
EP-0.898.310.
En el EP-1.168.438, se describe
un procedimiento de fabricación de un material compuesto por
tratamiento de una mezcla de polvos hecha de partículas de carbono
y de un metal como el cobre o la plata en forma moldeada a una
temperatura superior al punto de fusión del metal, para obtener una
interfase en la superficie de las partículas de carbono y una unión
de las partículas del cuerpo moldeado.
Una variante del procedimiento consiste en poner
en contacto un cuerpo moldeado obtenido a partir de partículas de
carbono con polvo o partículas de metal, a una temperatura superior
al punto de fusión del metal.
En todos los casos, se produce una infiltración
del metal fundido en un cuerpo de partículas de carbono.
También se ha propuesto fabricar los productos
de material compuesto por prensado isostático de partículas de
diamante o de fibras de carbono recubiertas de una capa del metal de
la matriz metálica, por ejemplo cobre o de aluminio. El
recubrimiento de las partículas de carbono por el metal de la matriz
puede realizarse por pulverización catódica o mediante un
procedimiento electroquímico, como los que se describen por ejemplo
en las solicitudes de patente EP-0.660.400 y
WO-99/00524.
En el WO-01/92594; se describe
un procedimiento del tipo por prensado en caliente que comprende el
mantenimiento de fibras de carbono recubiertas y de polvo de cobre
en un molde sometido a un ciclo de temperatura y de presión de
varias horas, sin previo prensado en frío. Las fibras de carbono son
previamente recubiertas de cobre.
Tales procedimientos de recubrimiento por
infiltración o prensado en caliente tienen el inconveniente de ser
muy costosos y difíciles de aplicar en el marco de una fabricación
industrial de drenajes térmicos, en especial porque requieren
tiempos de ejecución muy largos.
Se ha propuesto más generalmente fabricar tales
productos de material compuesto para drenajes térmicos mediante
diferentes procedimientos de metalurgia de polvos, pero estos
procedimientos necesitan, en general, un recubrimiento previo de
polvo, de tal manera que resultan costosos.
El objeto de la invención es proponer un
procedimiento de fabricación de un producto compuesto que comprende
una matriz hecha principalmente de cobre y de partículas de
cerámicas hechas de fibras de carbono, dispersas en la matriz,
siendo este procedimiento poco costoso y pudiendo aplicarse
fácilmente en el marco de una fabricación industrial.
Con este objetivo, el procedimiento según la
invención comprende las características de la reivindicación 1.
El procedimiento según la invención puede
presentar además las características de las reivindicaciones 2 a
16.
Con el fin de que se entienda bien la invención,
se va a describir a continuación, en referencia a las figuras
adjuntas como anexo, la aplicación del procedimiento según la
invención y según diversas variantes.
Las figuras 1 a 9 son representaciones
esquemáticas de nueve etapas sucesivas de un procedimiento de
fabricación de drenajes térmicos de material compuesto
cobre-carbono, en la forma de productos planos tales
como bandas o placas.
Los productos de partida utilizados para la
fabricación de los drenajes térmicos son polvos de cobre y fibras
de carbono.
El polvo metálico destinado a constituir la
matriz está hecha principalmente de cobre. Este polvo puede ser de
cobre puro, que no contiene más elementos que el cobre, o elementos
residuales en cantidades muy reducidas, que provienen de la
elaboración del cobre. El material del polvo metálico puede ser
también una aleación de cobre que contiene, de 0,1 a 10 átomos por
cada cien de al menos un elemento añadido escogido entre los
elementos siguientes: Al, Cr, Zr, Ti, Si, V, Mn, Hf, Fe, Y.
En todos los casos, el polvo metálico se
designará a continuación como polvo de cobre, ya sea polvo hecho de
cobre puro o de una aleación de cobre. Preferentemente, el polvo de
cobre está hecho de partículas de estructura dendrítica o
sensiblemente dendrítica obtenido, por ejemplo, por electrólisis de
un sulfato de cobre. Tal estructura dendrítica de los polvos de
cobre mejora la cohesión después del prensado en frío y la
densificación del producto intermedio obtenido por prensado de los
polvos así como el reparto de las partículas de carbono en la
matriz de cobre del producto.
En todos los casos, se utiliza cobre puro o una
aleación de cobre, de manera que la conductividad térmica de la
matriz del producto sea lo más elevada posible y en general cercana
de 400 W/mK. Típicamente, el polvo de cobre puede presentar una
granulometría del orden de 0,5 Pm a 200 Pm.
Las fibras de carbono pueden estar hechas de
fibras cortadas de carbono que tienen un diámetro comprendido entre
0,5 Pm y 50 Pm y una longitud comprendida entre 50 Pm y 5 mm. Las
fibras de carbono comerciales suelen estar recubiertas de una capa
de material epoxi llamado ensimaje, destinado a protegerlas. Para
aplicación del procedimiento según la invención, las fibras de
carbono pueden ser previamente desensimadas, como se explicará más
adelante.
Las fibras pueden ser también utilizadas sin ser
desensimadas.
Se describirá a continuación un ejemplo de
aplicación del procedimiento según la invención haciendo referencia
a las figuras.
En la figura 1, se ha representado
esquemáticamente una cizalla 2 de recorte de fibras de carbono 1
comercial, por ejemplo en forma de haces de fibras. Como se indica
más arriba, el recorte de las fibras de carbono se realiza de tal
manera que se obtienen trozos que tienen una longitud comprendida
entre 50 Pm y 5 mm.
En la figura 2, se ha representado un horno 3 en
el interior del cual se realiza el desensimaje de las fibras
cortadas obtenidas por recorte por eliminación térmica de la capa de
material epoxi que recubre los trozos de fibras.
Típicamente, el horno 3 realiza un desensimaje
de las fibras a una temperatura del orden de 450°C durante unas dos
horas. Sin embargo, es posible realizar el desensimaje de las fibras
a una temperatura inferior, por ejemplo del orden de 300°C, con un
tiempo de mantenimiento en el horno de al menos una hora, según el
espesor del recubrimiento de epoxi de las fibras; también se puede
realizar el desensimaje sumergiendo las fibras en acetona durante
algunas horas.
En la figura 3, se ha representado un recipiente
4 en el cual se realiza, sobre las fibras cortadas que tienen un
diámetro medio de 6 Pm y una longitud de 50 Pm a 5 mm, un depósito
de cromo o de una sal de cromo por inmersión de las fibras con
agitación, en un baño que contiene una sal de cromo y etanol. Se
realiza la inmersión y la agitación de las fibras durante algunos
minutos en el interior del recipiente 4, de manera que las fibras
quedan recubiertas de una capa de un compuesto de cromo, tras el
secado de las fibras.
También es posible recubrir las fibras cortadas
con una capa de cromo o de una aleación o compuesto de cromo
obtenido por depósito, siendo entonces el recipiente 4 un recipiente
de electrólisis que contiene una solución electrolítica a base de
cromo.
La agitación de los trozos de fibras en el
recipiente de recubrimiento 4 por una sal de cromo puede realizarse
mediante un molino o un triturador de bolas sumergido en el
recipiente 4 o mediante puntas de ultrasonidos.
Las fibras recubiertas son extraídas del
recipiente 4 e introducidas en una cámara de secado, a una
temperatura que puede ser de 80°C durante unos 10 mn. Luego, las
fibras cortadas secas se colocan en un crisol en alúmina.
En la figura 4, se ha representado un horno 5 en
el cual se realiza un tratamiento térmico de las fibras a una
temperatura de 1000°C a 1200°C, durante aproximadamente une hora,
bajo un flujo de argón que contiene alrededor de 5% de hidrógeno.
La capa de sal de cromo depositada sobre los trozos de fibras se
descompone en cromo y eventualmente se forma carburo de cromo en la
superficie de las fibras durante el tratamiento térmico. Esta
técnica permite obtener depósitos homogéneos de cromo, de aleación
de cromo o de carburo de cromo de un espesor de 0,1 Pm a 1 Pm sobre
la superficie de los trozos de fibras.
En la figura 5, se ha representado un mezclador
3D 6 que puede ser un agitador, por ejemplo un dispositivo que se
vende con el nombre comercial de "TURBULA 3D". El mezclador 6
podría ser también un mezclador o un triturador de bitas.
Se introduce, en el mezclador 6, el polvo de
cobre y las partículas de carbono, por ejemplo las fibras cortadas
recubiertas de una capa de cromo obtenida anteriormente.
Se introduce en el mezclador 6 polvo de cobre,
en una cantidad que representa del 10% al 90% del volumen total de
la mezcla a realizar y partículas de carbono que representan, en
volumen, del 10% al 90% de la mezcla a realizar. Se añade a la
mezcla de polvo seco, que representa del 95% al 99,99% del volumen
total introducido en el mezclador, 6, 0,01% a 5% en volumen de un
lubrificante, que puede ser por ejemplo un aceite natural o
vegetal, como el aceite de oliva o de girasol o un aceite
sintético.
Típicamente, las proporciones en volumen del
polvo de cobre, de las partículas de carbono y del lubrificante
introducidos en el mezclador pueden ser las siguientes: 0,1% de
aceite de girasol u otro lubrificante, 59,9% de polvo de cobre, 40%
de fibras de carbono cortadas.
También se pueden añadir, a la mezcla de polvos,
bolas de mezclado de acero inoxidable, de acero no aleado, de
alúmina, o de zirconio, para romper los agregados y mejorar la
homogeneidad de la mezcla.
Se realiza en el mezclador 6 una mezcla
homogénea del polvo de cobre, de las partículas de carbono y del
lubrificante. Luego se introduce la mezcla homogénea obtenida en el
interior de una prensa en frío 7, tal como se representa en la
figura 6. Se realiza el prensado en frío, es decir a temperatura
ambiente, por ejemplo del orden de 15°C a 20°C, de la mezcla de
polvo y de lubrificante para obtener una placa 8 que constituye un
producto intermedio en la fabricación de un drenaje térmico.
Típicamente, los polvos y el lubrificante se
someten a una presión de 200 a 600 MPa durante la etapa de prensado
en frío.
El lubrificante que recubre los polvos permite
mejorar la homogeneidad del producto intermedio obtenido por
prensado en frío, puesto que la distribución del frío de las
partículas de carbono se ve facilitada por la presencia de
lubrificante.
Tal como se representa en la figura 7, a titulo
de variante, en especial en el caso en el que el producto compuesto
a obtener es un producto plano tal como una banda o una placa, en
vez de un prensado en frío de la mezcla de polvo y de lubrificante,
se puede realizar un laminado en frío, es decir a temperatura
ambiente, por ejemplo del orden de 15°C a 20°C, de la mezcla de
polvo y de lubrificante.
En la figura 7, se han representado los
cilindros 9 de una laminadora en frío entre los cuales se introduce,
mediante una tolva 10 y eventualmente de un repartidor 11, la
mezcla de polvo que se vierte desde la tolva 10 hasta el espacio
entre los cilindros mediante el repartidor 11. Se obtiene, a la
salida del laminador, un producto intermedio 8' compuesto de una
banda compactada por laminado en frío que puede ser utilizado como
producto intermedio en lugar de una placa 8 compactada en frío.
Como puede verse en la figura 8, se utiliza una
prensa térmica 12 para efectuar el forjado en caliente de la placa
8 obtenida por prensado en frío o de un trozo de la banda 8'
obtenido por laminado en frío, para compactar y densificar el
producto intermedio 8 (u 8'). El producto intermedio se lleva a una
temperatura de forjado en caliente comprendida entre 450°C y 1000°C
y preferentemente cercana de 800°C. La presión de forjado en
caliente es superior a 10 MPa y preferentemente cercana de 50 MPa.
La presión se mantiene en la prensa térmica 12, sobre el producto
intermedio 8 u 8', durante un tiempo comprendido entre 1 segundo y
algunos minutos, preferentemente en atmósfera controlada (neutra,
reductora o en vacío) para evitar la oxidación del polvo de
cobre.
Tal como se representa en la figura 9, a título
de variante, el producto intermedio, tal como la banda laminada en
frío 8', puede ser compactado y densificado por laminado en caliente
con el paso de la banda en un horno de calefacción 13 en el cual se
mantiene una atmósfera de gas neutro introducido en el horno
mediante una tobera 14a, siendo evacuada la atmósfera del horno en
continuo mediante una segunda tobera 14b. La banda puede calentarse
mediante unos quemadores 15. La banda 8' previamente compactada o
laminada en frío se sostiene en el interior del horno mediante un
soporte o rejilla 16. A la salida del horno de calefacción, la banda
se desplaza por el interior del horno mediante rodillos de
transporte 19, y es introducida a la temperatura del horno
calefactor entre unos cilindros de laminado en caliente 17 que
aseguran el compactado y la densificación del producto 18 en forma
de banda.
El producto es laminado a una temperatura
comprendida entre 450°C y 1000°C y preferentemente cercana de
800°C.
La banda 18 densificada por laminado en caliente
se enfría y se recorta en forma de placas 20 destinadas a ser
utilizadas como drenajes térmicos.
El trabajo en caliente de la banda puede ser una
operación de forjado, que únicamente asegura una compresión del
producto intermedio a una temperatura de forjado, como se acaba de
describir, o incluso una operación de forjado o matrizado entre
matrices que dan una forma particular al producto compuesto final
obtenido.
Asimismo, el laminado puede ser un simple
laminado de producto plano, como se ha descrito, e incluso un
laminado entre cilindros acanalados para obtener un perfilado con
una forma cualquiera.
El trabajo en caliente del metal puede ser
también un forjado o un matrizado complejo para obtener un producto
moldeado como una caja o una parte de caja o incluso un elemento de
intercambio térmico del tipo radiador que presenta aletas de
refrigeración.
Después del trabajo en caliente, el producto
puede ser recocido en una atmósfera reductora (por ejemplo una
mezcla de nitrógeno/hidrógeno, o hidrógeno), a una temperatura de
300°C a 500°C, para relajar las tensiones y eliminar los óxidos
residuales del producto.
En todos los casos, el procedimiento según la
invención, que combina un prensado en frío y un trabajo en caliente
del producto intermedio obtenido por el prensado en frío de polvos
de cobre y de carbono en presencia de lubrificante, permite obtener
un producto final que puede constituir por ejemplo un drenaje
térmico con un coeficiente de dilatación térmica en el sentido
longitudinal (en el caso de una placa) de 6 a
12.10-6/°C. Este coeficiente de dilatación térmica
puede ser controlado mediante el control de la proporción de
partículas de carbono desde el 20% al 50% del volumen de producto
obtenido.
En el caso de una placa tal como el producto 20,
obtenido a la salida del forjado o del laminado en caliente, la
conductividad térmica de la placa es de 150 a 250 W/m.K en el
sentido transversal y de 180 a 300 W/m.K en el sentido
longitudinal.
La conductividad eléctrica de la placa es de 2,1
a 3,5 PWcm-1 en el sentido longitudinal de la placa
y puede controlarse mediante el control de la proporción de
partículas de carbono.
Luego se obtiene, de manera simple y poco
costosa, mediante un procedimiento fácilmente industrializable, un
drenaje térmico que puede presentar la forma de un producto plano o
cualquier otra forma como un perfilado, por ejemplo en forma de
canalón, o incluso una forma compleja, por ejemplo en forma de
radiador con aletas.
Las fibras de carbono pueden estar hechas de
nanotubos, es decir tubos de dimensiones nanométricas, cuyas
longitudes pueden ser cercanas a las de las fibras cortadas. Las
fibras cerámicas de carbono utilizadas para la aplicación de la
invención, que deben presentar una conductividad térmica muy buena,
pueden ser diferentes de las fibras de grafito. Estas fibras en
forma de trozos de fibras o de nanotubos pueden estar hechas
principalmente de carbono en otras formas diferentes del
grafito.
La invención puede ser utilizada en especial
para obtener cualquier sustrato para montaje electrónico y debe
presentar, en especial, una buena conductividad térmica y eléctrica
y un coeficiente de dilatación
térmica reducido.
térmica reducido.
Claims (16)
1. Procedimiento de fabricación de un drenaje
térmico (20) compuesto para un circuito electrónico, que presenta
una buena conductividad térmica y un coeficiente de dilatación
térmica reducido, que comprende una matriz hecha de cobre puro o de
una aleación de cobre, y fibras de carbono dispersas en la matriz,
en el cual:
- se prepara una mezcla homogénea de polvo de
cobre que comprende cobre puro o una aleación de cobre, y de fibras
de carbono;
- se realiza luego un prensado en frío de la
mezcla de polvo de cobre y de fibras de carbono, en una prensa en
frío o una laminadora en frío, para obtener un producto intermedio
(8, 8');
- se densifica luego el producto intermedio (8,
8') mediante al menos una etapa de trabajo en caliente a una
temperatura comprendida entre 450°C y a 1000°C, en una prensa de
forjado en caliente o una laminadora en caliente.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el cual se realiza el prensado en frío en una prensa en frío, y se
densifica el producto en una prensa de forjado en caliente.
3. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el cual se realiza el prensado en frío en una laminadora en frío, y
se densifica el producto en una prensa de forjado en caliente o una
laminadora en caliente.
4. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que el polvo de cobre está hecho de partículas de estructura
sensiblemente dendrítica.
5. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que las fibras de carbono están hechas de trozos de fibra de
carbono que tienen un diámetro comprendido entre 0,5 Pm y 50 Pm y
una longitud comprendida entre 50 Pm y 5 mm, o nanotubos, o incluso
de fibras hechas de nanotubos.
6. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que la mezcla homogénea del polvo de cobre y de fibras de carbono
se realiza en un mezclador tal como un triturador de bolas, o un
mezclador 30.
7. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado por el hecho de que, durante la mezcla, se
añaden, a la mezcla de polvo de cobre y de fibras de carbono, bolas
de mezcla de uno de los materiales siguientes: acero inoxidable,
acero no aleado, alúmina, zirconio.
8. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que el prensado en frío se realiza a una temperatura ambiente.
9. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que se densifica el producto intermedio (8, 8') mediante una etapa
de forjado en caliente a una presión superior a 10 MPa, y
preferentemente cercana a 50 MPa.
10. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho que
se deposita una capa de cromo y/o de carburo de cromo sobre las
fibras de carbono, antes de la mezcla con el polvo de cobre.
11. Procedimiento según la reivindicación 10
caracterizado por el hecho de que la capa de cromo y/o de
carburo de cromo depositada sobre las fibras de carbono presenta un
espesor comprendido entre 0.1 Pm y 1 Pm.
12. Procedimiento según la reivindicación 10 o
11, caracterizado por el hecho de que se realiza el depósito
de una capa de una sal de cromo sobre las fibras de carbono, por
inmersión y agitación de las fibras de carbono en un baño de sal de
cromo, en presencia de etanol, que luego se trata a una temperatura
comprendida entre 1000°C y 1200°C, aproximadamente durante una
hora, las fibras de carbono recubiertas de sal de cromo, bajo un
flujo de argón que contiene alrededor de 5% de hidrógeno.
13. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que, en la etapa de preparación de una mezcla, se añade un
lubrificante a la mezcla.
14. Procedimiento según la reivindicación 13,
caracterizado por el hecho de que la mezcla de polvo y de
fibras de carbono contiene, en volumen, de 10% a 90% de polvo de
cobre, de 10% a 90% de fibras de carbono así como un lubrificante
que constituye de 0.01% a 5% en volumen de la mezcla de polvo de
cobre y de fibras de carbono.
15. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, para la fabricación de un producto
compuesto que tiene una de las formas siguientes: banda o placa,
perfilado, caja o parte de caja, radiador que comprende aletas.
16. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que, durante la etapa de prensado en frío, se aplica una presión
comprendida entre 200 y 600 MPa.
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