FR2480488A1 - Liant thermiquement conducteur et isolant electriquement pour composants electriques et electroniques, et son procede de fabrication - Google Patents
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Abstract
LIANT THERMIQUEMENT CONDUCTEUR ET ISOLANT ELECTRIQUEMENT POUR RELIER PAR COLLAGE DES COMPOSANTS DEGAGEANT DE LA CHALEUR A UN SUPPORT PAR EXEMPLE DES COMPOSANTS ELECTRIQUES OU ELECTRONIQUES A UN DISSIPATEUR DE CHALEUR, LE LIANT COMPORTANT UNE MATRICE 1 EN MATIERE ADHESIVE DANS LAQUELLE SONT NOYEES DES PARTICULES CONDUCTRICES DE LA CHALEUR 2, PAR EXEMPLE EN SELS METALLIQUES.
Description
la présente invention concerne un produit liant thermiquement conducteur pour transférer de la chaleur d'un élément produisant de la chaleur, par exemple un composant électronique, à un dissipateur de chaleur ou, encore, pour transférer de la chaleur directement depuis l'élément en produisant à 11 air environnant.
Différents types de produits ont été utilisés de temps en temps pour dissiper la chaleur produite par des composants électriques et électroniques.
Le composant électronique est normalement placé en contact physique avec une masse métallique présentant une conductibilité thermique élevée, par exemple l'aluminium, et dont la géométrie est conçue pour dissiper la chaleur dans le milieu environnant, par exemple l'air.
Afin de transférer efficacement la chaleur depuis le composant jusqu'au dissipateur de chaleur, différents composés thermiquement conducteurs mais insolants thermiquement peuvent être utilisés. I1 est généralement nécessaire que ces composés soient isolants électriquement pour éviter les courts-circuits entre les bornes des composants électriques ou électroniques.
I1 est bien connu que, pour que le transfert de chaleur soit efficace entre le composant et le dissipateur de chaleur, il doit exister un contact intime entre ces deux éléments et c'est pour réaliser ce contact intime que des composés divers sont utilisés.
Jusqu'à présent, tous ces composés présentent des inconvénients. En effet, pour qu'il existe un contact réellement intime, les composants sont serrés sur le dissi- pateur de chaleur, de sorte que le composé destiné à transmettre la chaleur tout en isolant le composant de son support et/ou du dissipateur de chaleur est mis sous pression et il tend ainsi à fluer, ce qui peut provoquer des risques de court-circuite Par ailleurs, certains composés, par exemple â base de caoutchouc, sont fluables et difficiles à manipuler ou encore ils n'assurent qu'un contact peu satis- faisant.Il se produit également des ruptures du produit interposé entre le composant et le dissipateur de chaleur.
D'autres matières conductrices thermiquement telles que des feuilles de mica ne peuvent autre utilisées pratiquement qu'en les revêtant sur leurs deux faces de graisses thermiquement conductrices mais ces graisses fluent inévitablement sous l'action de la pression et, par ailleurs, elles sont presque toujours détruites par les températures élevées qui sont fréquemment atteintes pendant le fonctionnement des composants.
La présente invention remédie à ces divers inconvénients.
Conformément à l'invention, le liant thermiquement conducteur et isolant électriquement est constitué par une matrice en matière adhésive dans laquelle sont noyées des particules conductrices de la chaleur.
Suivant une autre disposition de l'invention, pour la fabrication du liant, on prépare des particules conductrices de la chaleur et isolantes électriquement, on mouille lesdites particules au moyen d'un solvant du produit devant former la matrice puis on mélange lesdites particules mouillées avec la matrice pour réaliser une suspension.
Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit.
Des formes de réalisation de l'objet de l'invention sont représentées, à titre d'exemples non limitatifs, au dessin annexé.
La fig. 1 est une coupe-élévation schématique très agrandie illustrant la structure d'un mode de réalisation du liant, objet de l'invention.
les fig. 2 et 3 sont des coupes-élévations analogues à la fig. 1 illustrant deux développements de l'invention.
Les fig. 4 à 8 sont des coupes-élévations illustrant diverses applications du liant de l'invention.
Le liant de l'invention est constitué par une matrice 1 choisie parmi les produits isolants de 1'électricité mais thermiquement conducteurs et présentant de bonnes qualités d'adhésivités De plus, il est avantageux pour la réalisation de la matrice 1 de choisir une matière durcissant à la température ambiante soit par voie aérobie, soit par voie anaérobie, et présentant un retrait aussi faible quepossible. Parmi de nombreuses matières qui peuvent entre utilisées pour la réalisation de la matrice, on peut citer des silicones, notamment du type R2VX des polytiréthanes et mme certains caoutchoucs, notamment des isoprènes, des résines epoxy, etc.
La matrice 1 sert à contenir des particules 2 bonnes conductrices de la chaleur et pour certaines d'entre elles au moins non conductrices de l'èlectricité.
Dans un premier mode de réalisation, le liant de l'invention contiens en-tant que particules 2, des parti- cules de sels métalliques, par exemple d'oxyde d'aluminium, d'oxyde de béryllium, de nitrure de bore ou mimez le cas échéant, des particules non métalliques, par exemple du mica.
Des particules d'une ou plusieurs natures peuvent autre employées selon l'utilisation envisagée pour le liant.
Dans un second mode de réalisation du liant, on ajoute aux particules électriquement isolantes mais thermiquement conductrices, des particules fines par exemple des billes métalliques 3 (fig. 2) bonnes conductrices à la fois de l'électricité et de la chaleur, par exemple des particules de cuivre revêtu d'argent mais on prend soin que les particules métalliques 3 conductrices de l'électricité soient toutes isolées les unes des autres pour éviter qu'il s'éta- blisse des circuits de Suite ou des courts-circuits dans le liant.
Dans un troisième mode de réalisation; le liant qui contient ou non les particules conductrices 3 incorpore supplémentairement des granulés 4 (fig. 3) qui peuvent dans certains cas astre constitués par des produits minéraux; par exemple de la silice, lorsque la matrice 1 ne présente qu'un retrait faible ou nul ou encore par des granulés en élastomère éventuellement chargés de particules de sels métalliques ou de particules conductrices mais isolées entre elles. Les granulés 4 sont destinés à permettre la réalisa tion de couches d'épaisseur uniforme de liant lorsque le liant est interposé entre deux pièces devant astre reliées thermiquement et isolées électriquement ainsi que cela ressort de la description qui suit.
Pour préparer le liant décrit dans ce qui précède, suivant l'invention, on procède comme suit.
On prépare tout d'abord des particules thermiquement conductrices mais isolantes de l'électricité, par exemple en oxyde d'aluminium ou en nitrure de bore et on mouille ces particules au moyen d'un solvant de la matrice, par exemple au moyen de trichloréthylène, lorsque la matrice doit être constituée par des silicones. Les particules mouillées de solvant sont ensuite mises en suspension dans la matrice en les malaxant dans celle-ci. Le solvant qui mouille les particules d'oxyde métallique a pour effet de dissoudre la matrice, notamment les silicones qui se trouvent amenées au voisinage immédiat des particules, de sorte que lesdites particules sont amenées en contact ou pratiquement en contact les unes avec les autres pendant l'opération de malaxage tout en étant réunies par le produit formant la matrice.
Le produit ainsi réalisé est ensuite mis en place dans un récipient de stockage, par exemple un tubef ou dans d'autres conditions appropriées à la nature de la matrice et des additifs qu'elle peut être amenée à contenir, par exemple des catalyseurs de polymérisation, des inhibiteurs de polymérisation et d'autres produits permettant, d'une part, d'empêcher le durcissement de la matrice tant qu'elle n'est pas mise en oeuvre et, d'autre part, de permettre son durcissement dès lors qu'elle est mise en oeuvre dans des conditions appropriées.
Dans ce qui précède, les produits énoncés constitutifs de la matrice sont des produits élastiques ou au moins souples car ces produits sont préférés selon l'invention, des matrices adhésives souples et/ou élastiques permettant d'obtenir des liants conservant leurs caractéristiques pendant de longues périodes de temps et étant d'une grande s & té d'utilisation en particulier pour la formation de joints devant être soumis à des vibrations.
A titre d'exemples, des liants satisfaisants sont obtenus en procèdant comme suit.
Exemple 1:
Deux parties en volume de poudre de nitrure de bore sont mélangées à une partie en volume de trichloréthylène.
Deux parties en volume de poudre de nitrure de bore sont mélangées à une partie en volume de trichloréthylène.
La suspension obtenue est ensuite mélangée dans une partie en volume d'un adhésif non corrosif au silicone du type RTV
La pâte ainsi obtenue peut être conservés dans des tubes plusieurs mois avant autre utilisée.
La pâte ainsi obtenue peut être conservés dans des tubes plusieurs mois avant autre utilisée.
Exemple 2:
On additionne à la poudre de nitrure de bort utilisée à l'exemple 1, 10% en poids de particules d'oxyde d'aluminium présentant des dimensions calibrées et on procède comme expliqué à l'exemple 1. On obtient ainsi une pâte qui peut entre utilisée pour former des joints dont l'épaisseur est déterminée par la dimension des particules d'oxyde d'aluni- nium.
On additionne à la poudre de nitrure de bort utilisée à l'exemple 1, 10% en poids de particules d'oxyde d'aluminium présentant des dimensions calibrées et on procède comme expliqué à l'exemple 1. On obtient ainsi une pâte qui peut entre utilisée pour former des joints dont l'épaisseur est déterminée par la dimension des particules d'oxyde d'aluni- nium.
Exemple 3
On fait mouiller 30 % en poids de nitrure de bore par 10 * de trichloréthylène et on mélange à 30 % en poids de silicone pour obtenir une suspension à laquelle on ajoute finalement 30 % en poids de billes de cuivre recouvertes d'argent qui sont amenées à la suspension sous forme parfaitement sèche. Ainsi, les billes de cuivre/argent sont enveloppées dans la matrice formée par les silicones, ladite matrice les entourant complètement et les isolant électriquement.
On fait mouiller 30 % en poids de nitrure de bore par 10 * de trichloréthylène et on mélange à 30 % en poids de silicone pour obtenir une suspension à laquelle on ajoute finalement 30 % en poids de billes de cuivre recouvertes d'argent qui sont amenées à la suspension sous forme parfaitement sèche. Ainsi, les billes de cuivre/argent sont enveloppées dans la matrice formée par les silicones, ladite matrice les entourant complètement et les isolant électriquement.
Les fig. 4 à 8 illustrent différents modes dgutili- sation du liant de l'invention dans son application à la liaison de composants électriques et électroniques à des supports ou à des dissipateurs de chaleur.
A la fig. 4, un composant 5 est relié à une plaque de support 6 par une couche 7 du liant décrit dans ce qui précède. L'épaisseur de la couche 7 est choisie aussi faible que possible compte tenu des caractéristiques électriques du composant 5. En effet, l'épaisseur limite de la couche 7 dépend de la différence de potentiels pouvant exister entre le composant électrique ou électronique et le support 6 ainsi que de la résistance interne propre du liant adhésif.
A la fig. 5, le liant adhésif est amené outre à former la couche 7 l'isolant du support 6, mais encore une enveloppe 8 qui noie le composant 5 au moins partiellement, ladite enveloppe formant elle-mme dissipateur de chaleur.
A la fig. 6, le composant 5 est fixé comme précédemment sur le support 6 par une couche 7 et il est noyé ou au moins recouvert par du liant 9 servant a fixer audessus du composant 5 un dissipateur de chaleur 10 pouvant être en matière très conductrice, par exemple en aluminium et ce dissipateur formant des ailettes 11 ou autres éléments analogues bien connus dans la technique de l'échange thermique.
A la fig. 7, le composant 5 est appliqué directement sur un support 12 en matière isolante de l'électricité mais, de préférence, conductrice de la chaleur. Le liant forme, comme à la fig. 5, une enveloppe 8 dans laquelle le composant 5 est au moins en partie noyé. Lorsque le Mpport 12 est tD matière non conductrice de l'électricité, il est possible également, comme à la fig. 6, d'utiliser un dissipateur de chaleur rapporté 10.
La fig. 8 illusire encore une autre réalisation suivant laquelle le composant 5 est noyé au moins partiellement dans une enveloppe 8 de liant qui est mise en forme sur tout ou partie de sa surface au moyen d'un outil approprié pour délimiter des saillies lita. Afin que le liant n'adhère pas à l'outil, une pellicule mince 13 en métal bon conducteur de la chaleur, par exemple en aluminium, en cuivre, en argent ou autre, est interposée entre l'outil de mise en forme et l'enveloppe 8 formant le liant avant que ce liant soit durci.
L'invention n'eStpas limitée aux exemples de réalisation représentés et décrits en détail, car diverses modifications peuvent y strie apportées sans sortir de son cadre.
En particulier, le liant 8, lorsqu'il forme une enveloppe dans laquelle le composant 5 est complètement noyé, peut Stre saupoudré sur une partie au moins de sa surface de billes métalliques qui adhèrent ainsi i l'enveloppe et qui forment des dissipateurs secondaires.
Claims (9)
1 - Liant thermiquement conducteur et isolant élec triquement, caractérisé en ce qu'il est constitué par une matrice en matière adhésive dans laquelle sont noyées des particules conductrices de la chaleur.
2 - Liant suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les particules conductrices de la chaleur sont cons- titubées par des oxydes métalliques, notamment de l'oxyde d'aluminium, de i' oxyde de béryllium, de nitrure de bore ou encore du mica qui sont isolants de l'électricité tout en présentant de bonnes caractéristiques de conductibilfté thermique.
3 - Liant suivant l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'il continent également des particules métalliques qui sont isolées électriquement les une des autres0
4 - Liant suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il contrent des granulés formant élément d'entretoisement pour déterminer l'épaisseur de la couche de liant devant réunir deux pièces.
5 - Liant suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les granulés formant élément d'entre- toisement sont souples pour compenser le retrait de la matrice du liant pendant son durcissement.
6 - Un procédé pour la fabrication du liant suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu on prépare des particules conductrices de la chaleur et isolan- tes électriquement, en ce qu'on gouille lesdites particules su moyen d'un solvant du produit devant former la matrice puis en ce qu'on mélange lesdites particules mouillées avec la matrice pour réaliser une suspension.
7 - Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'on ajoute à la suspension contenant les particules thermiquement conductrices et isolantes électriquement des particules métalliques à grande conduction thermique e
8 #- Procédé suivant l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce qu'on constitue la matrice par un produit adhésif durcissant indifféremment par voie aérobie ou anaé bie.
9 - Procédé suivant l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les particules isolantes électriquement mais thermiquement conductrices sont des poudres d'oxyde d'aluminium, d'oxyde de beryllium, de nitrure de bore, de mica, tandis que la matrice est constituée par des silicones, des poly-urétanes, des caoutchoucs iso prènes.
10 - L'application du liant des revendications 1 à 5 à la réalisation de liaisonsthermiquement conductrices reliant par simple collage des composants électriques ou électroniques à des supports et/ou dissipateurs thermiques.
Il - Application suivant la revendication 10, caractérisée en ce que le liant enrobe partiellement au moins le composant.
12 - Application suivant l'une des revendications 10 et 11, caractérisée en ce que le liant enrobant au moins partiellement le composant forme des protubérances réalisées par moulage et interposition d'une pellicule en matière bonne conductrice de la chaleur.
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