FR2950470A1 - Composant comportant une interface a faible resistance thermique magnetique et procede de fabrication - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un composant comportant une interface thermique insérée entre un premier support (S1) et un deuxième support (S ) caractérisé en ce que l'interface comporte des particules magnétiques (NS). Avantageusement, l'interface comporte un matériau composite comprenant un liant organique et des particules comportant au moins une partie ferromagnétique. L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un tel composant comportant une interface à base de particules magnétiques.

Description

Composant comportant une interface à faible résistance thermique magnétique et procédé de fabrication
Le domaine de l'invention est celui des interfaces thermiques, notamment utilisés pour des composants et plus particulièrement des composants électroniques pouvant être rapportés sur un support ou dans un boitier d'encapsulation et qui nécessitent l'utilisation d'interface thermique permettant d'évacuer la chaleur produite par ces composants électroniques. Plus précisément, l'invention se situe dans le domaine de l'optimisation de la résistance thermique à l'interface entre deux surfaces et notamment celle qui utilise des matériaux pour interface thermique couramment dénommé « TIM » à base de matériaux composites chargés en ~o particules. Avec ce type de matériaux composites, on cherche à obtenir la plus haute conductivité thermique possible, et à minimiser les résistances d'interface entre le matériau et la surface d'échange thermique. Une contrainte majeure est l'utilisation d'un matériau suffisamment fluide pour 15 conformer les surfaces et éliminer toute poche d'air (l'air étant isolant thermique). De manière générale dans les composites à particules, la conduction thermique étant principalement assurée par les particules, il est préférable de limiter les résistances thermiques existantes entre les 20 particules, ou entre les particules et le substrat. On parle alors de percolation, c'est à dire qu'il existe des chemins de résistance thermique moindre qui permettent la transmission de la chaleur d'une interface à l'autre. Le problème est de trouver des conditions qui permettent d'avoir le nombre maximum de ces chemins. A titre illustratif comme illustré en figure 1, il est 25 représenté un chemin de percolation assuré par des particules Pi au sein d'une matrice M en contact capables, de créer une transmission de la chaleur depuis le composant Ci vers le support pouvant être de type radiateur R. Selon l'art antérieur, des solutions ont déjà été proposées pour 30 résoudre le problème précité. Une première solution consiste à utiliser un composite dont le taux de charge en particules est le plus élevé possible. La probabilité d'obtenir des chemins de percolation augmente avec le taux de charge. Ce dernier est toutefois limité, car l'augmentation du taux de charge s'accompagne d'une modification des propriétés rhéologiques du composite provoquant l'augmentation de sa viscosité, et diminuant ses propriétés thermiques par simple augmentation de l'épaisseur de l'interface et par incapacité de conformer correctement les surfaces (apparition de poches d'air isolantes). Même dans le cas où le seuil de percolation est atteint, Il existe toujours une résistance thermique associée à la jonction entre particules au contact, en raison de la faible surface d'échange dans le cas de particules approximativement sphériques.
Une deuxième solution consiste en l'utilisation de particules possédant un facteur de forme différent de 1, typiquement il peut s'agir de fils ou de bâtonnets. Cette solution ne présente d'avantages que dans le cas où les particules sont alignées selon une direction proche de la normale aux surfaces. Leur emploi permet donc de limiter le nombre de jonctions entre particules nécessaire à la transmission de la chaleur, et donc de diminuer la résistance thermique lors de la traversée de l'interface comme illustré en figure 3, qui met en parallèle des chemins de percolation avec des particules présentant un facteur de forme de 1 et des particules présentant un facteur de forme différent de 1.
Le problème posé est alors de trouver un moyen d'orienter ces particules. Là encore, plusieurs voies existent : Dans le cas des nanotubes de carbone, une solution existante pour l'orientation d'une assemblée de tubes consiste en l'utilisation de champs magnétiques. Toutefois l'absence de propriétés ferromagnétiques des nanotubes de carbone contraint à l'utilisation de champ extrêmement 'intenses (plusieurs Tesla comme décrits dans les articles de Hone et al. APL 77, 5, p666 (2000) et de Fischer et al. JAP, 93, 4 2157 (2003)), peu compatibles avec une production industrielle. Une autre solution consiste en l'orientation par croissance verticale de particules à fort facteur de forme micro ou nanofils, par exemple nanotubes de carbone comme décrit dans les articles de Zhang et al. Nanotechnology, 19 (2008) 215706 et de Panzer et al. Journal of heat transfer, vol 180, 052401.
Mais les conditions nécessaires à la croissance de ces objets nécessitent souvent l'emploi de conditions particulières en termes de températures, de composition de l'atmosphère et de pression. Par conséquent les surfaces traitées sont de dimensions limitées. En outre, ces conditions peuvent être incompatibles avec les composants devant être traités. Pour résoudre les différents problèmes précités, la présente invention propose de réaliser une interface comportant des particules ayant des propriétés magnétiques qui permettent de les aligner dans un champ ~o peu intense, compatible avec une production industrielle. Plus précisément la présente invention a pour objet un composant comportant une interface thermique insérée entre un premier support et un second support caractérisé en ce que l'interface comporte des particules magnétiques. 15 Selon une variante de l'invention, l'interface thermique comporte un matériau composite comprenant un liant organique et des particules comportant au moins une partie magnétique. Selon une variante de l'invention, les particules sont des particules métalliques : nickel, fer ou cobalt ou alliages. 20 Selon une variante de l'invention, les particules sont constituées d'oxydes magnétiques. Selon une variante de l'invention, les particules sont des particules constituées d'un matériaux magnétique doux. Selon une variante de l'invention, le liant est une paraffine ou un 25 polymère de type thermoplastique, thermodurcissable ou élastomère. Il peut s'agir de silicone, de résine époxy ou de polyacrylate. Selon une variante de l'invention, les particules sont des particules mixtes ferromagnétiques et bonnes conductrices thermiques grâce à la présence d'éléments pouvant typiquement être de type métal à forte 30 conductivité thermique. Selon une variante de l'invention, les particules sont des particules présentant un coeur ferromagnétique et une coquille métallique.
Selon une variante de l'invention, les particules sont des particules métalliques oblongues et comportent au niveau de leurs extrémités des parties magnétiques. Selon une variante de l'invention, le composant est un dispositif 5 électronique comprenant un support avec au moins un composant élémentaire susceptible de s'échauffer en fonctionnement. L'invention a aussi pour objet un procédé de réalisation d'un composant comportant la réalisation d'une interface thermique selon l'invention, caractérisé en qu'il comprend les étapes suivantes : 10 - le dépôt d'un mélange fluide de liant organique et de particules au moins en partie ferromagnétique ou ferrimagnétique à la surface d'un substrat ; - l'orientation desdites particules sous champ magnétique ; - la rigidification du milieu fluide permettant de figer les particules 15 orientées au sein du liant organique et de réaliser l'interface thermique. Selon une variante de l'invention, le liant organique comporte des monomères, la rigidification du milieu fluide étant réalisée par polymérisation. Selon une variante de l'invention, le procédé de réalisation comprend en outre le retrait de l'interface réalisée et son report entre un 20 premier support comportant au moins un composant électronique et un second support. Selon une variante de l'invention, la rigidification du milieu est réalisée directement entre un premier support comportant et un second support. 25 Selon une variante de l'invention, le procédé comporte en outre la fabrication de particules ferromagnétiques par croissance électrolytique au travers d'un masque poreux. Selon une variante de l'invention, le procédé comprend successivement la croissance électrolytique de dépôts ferromagnétique, 3o métallique et ferromagnétique de manière à réaliser des particules mixtes.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : la figure 1 schématise un chemin de percolation assuré par des particules en contact capables, de créer une transmission de la chaleur depuis un composant vers un support pouvant être de type radiateur ; la figure 2 illustre la variation de la résistance d'une interface thermique assurée par un TIM composite en fonction du taux de charge. la figure 3 illustre un chemin de percolation à partir d'un composite comportant des particules oblongues ; la figure 4 illustre une interface selon l'invention comportant un liant et des particules ferromagnétiques facilement orientables sous champ magnétique ; la figure 5 illustre un exemple de réalisation d'interface thermique comportant des nanofils de particules ferromagnétiques dont la croissance est effectuée au travers d'une membrane ; la figure 6 illustre un premier exemple de particules complexes comportant une partie ferromagnétique selon une variante d'interface de l'invention ; la figure 7 illustre un second exemple de particules complexes comportant une partie ferromagnétique selon une variante d'interface de l'invention ; les figures 8a à 8d illustrent les différentes étapes de réalisation d'une interface selon l'invention selon un premier exemple ; les figures 9a à 9d illustrent les différentes étapes de réalisation d'une interface selon l'invention selon un second exemple.
De manière générale, l'interface thermique de la présente invention insérée entre deux supports SI er S2 comporte un matériau liant L de type organique et des particules NS capables d'être facilement aimantées sous l'action d'un champ magnétique comme illustré en figure 4. La magnétisation de ces particules permet d'une part leur orientation dans un champ magnétique, et d'autre part l'apparition d'interactions magnétiques entre les particules. On a alors des particules qui sont toutes orientées au sein du matériau, et qui ont tendance à se regrouper en contact les unes des autres en suivant les lignes de champ, permettant l'apparition de chemins de percolation comme représenté en figure 4. Ces particules peuvent en outre posséder un facteur de forme différent de 1. ~o L'apparition de la percolation peut alors se produire à faible concentration de particules, permettant de conserver les propriétés rhéologiques du composite en tant qu'interface thermique. Les matériaux de choix pour réaliser cette fonction sont les matériaux ferromagnétiques (métaux : Fer, Nickel, Cobalt...,alliages 15 ferromagnétiques ou ferrites : magnétite Fe304 , yFe2O3 ). Dans le cas des particules de type fils ou bâtonnets, il existe des techniques de synthèse en solution permettant d'obtenir des grandes quantités de particules allongées (nanoparticules en particulier). Enfin, dans le cas où le facteur de forme doit être grand, il est 20 possible de synthétiser simplement des fils métalliques par dépôt électrolytique dans les pores d'une membrane d'alumine nanoporeuse par exemple, comme l'illustre la figure 5. Il est ainsi proposé de déposer des nanofils de nickel NS au travers des pores d'une membrane Mpor selon une des techniques publiées dans 25 l'article de Hulteen et al. Journal of material chemistry, 1997, 7(7), 1075ù1087., par une électrolyse d'une solution de sulfate de nickel, chlorure de nickel et acide borique (solution classique pour le dépôt de nickel par électrolyse). Le dépôt est réalisé sur une électrode de cuivre Ei, à travers les pores d'une membrane d'alumine nanoporeuse de porosité d'environ 50%, 30 de diamètre de pores moyen de 200 nm et d'épaisseur de l'ordre de 50pm. Un film d'alliage eutectique Indium gallium, Gain (liquide à température ambiante), est utilisé comme substrat pour le dépôt (de manière à boucher les pores du coté électrode). Une fois le dépôt réalisé, la membrane est séparée de l'électrode, l'alliage InGa est éliminé dans l'acide nitrique concentré, et la membrane dissoute dans une solution d'hydroxyde de sodium concentrée. Les fils sont ensuite séparés magnétiquement à l'aide d'un aimant, 5 rincés plusieurs fois et stockés en dispersion dans un solvant (eau, acétone,...). II peut également être très avantageux de combiner les propriétés ferromagnétiques rendant des particules facilement orientables avec des propriétés thermiques de métaux tels que l'argent ou le cuivre par exemple, 10 qui possèdent de meilleures propriétés thermiques. Ainsi, bien que l'utilisation des premières permettent déjà d'obtenir des propriétés thermiques intéressantes, il est possible d'améliorer encore ces propriétés en utilisant par exemple des particules mixtes à propriétés magnétiques et thermiques. Il s'agit dans ce cas de réaliser des particules 15 constituées de deux matériaux, l'un ferromagnétique et l'autre bon conducteur thermique. Un premier mode de réalisation possible consiste à procéder à des dépôts électrolytiques successifs de matériau bon conducteur thermique/ matériau ferromagnétique, afin de réaliser des particules telles que celles 20 illustrées en figure 6. Dans le but de réaliser de telles particules, un premier dépôt de nickel est réalisé de manière à ne pas remplir totalement les pores de la membrane. L'électrode est ensuite rincée, et soumise à un nouveau dépôt en utilisant cette fois une solution contenant des ions argent (par exemple une 25 solution aqueuse de sulfate d'argent et de thiocyanate de potassium). On réalise ainsi un dépôt d'argent métallique par dessus le premier dépôt de nickel. Un nouveau dépôt de nickel peut ensuite être réalisé à la suite du dépôt d'argent. On obtient ainsi après traitement de la membrane des particules qui présentent une partie centrale C2Th bonne conductrice 30 thermique, intégrée entre deux parties CiFerro en matériau ferromagnétique. Un second mode de réalisation consiste à élaborer des particules mixtes, présentant un coeur ferromagnétique Ciferro, enrobées d'une coquille de matériau bon conducteur thermique C2Th comme illustré en figure 7. Pour cela, Il est notamment possible de faire précipiter à la surface de particules métalliques, un deuxième métal en utilisant une réaction chimique (réduction en solution par exemple). Les conditions de réaction peuvent être choisies de manière à provoquer la précipitation uniquement à la surface des particules (l'énergie nécessaire à la nucléation étant moindre sur une surface que dans la solution). Dans le but d'obtenir des particules de nickel recouvertes d'argent métallique, la réaction de Tollens (réduction des ions argent en solution basique par un aldéhyde) peut être utilisée.
Exemple de réalisation d'une interface thermique L'interface thermique de l'invention présente le grand avantage d'une mise en oeuvre très simple, en préparant par exemple un composite avec un monomère Mon contenant des particules NS, au moins partiellement ferromagnétiques. Le dépôt de ce composite à la surface d'un support SI comme représenté en figure 8a, peut être réalisé de la même manière que dans le cas d'un matériau d'interface courant (type adhésif thermique). Il est ensuite procédé au report d'un second support S2, éventuellement sous pression, comme représenté en figure 8b.
L'assemblage est alors soumis à un champ magnétique (par exemple en réalisant l'assemblage sur un aimant permanent) comme représenté en figure 8c. Les particules inorganiques s'alignent donc dans le champ magnétique. Le monomère Mon est choisi de manière à posséder une viscosité suffisamment faible pour permettre cet alignement.
La réticulation du monomère Mon en polymère Poly, sous l'effet par exemple de la chaleur, permet enfin la rigidification de l'ensemble, assurant la conservation de l'alignement après disparition du champ comme représenté en figure 8d, et permettant l'adhésion de la surface S2 sur la surface Si. Le support SI peut typiquement comprendre des composants électroniques, le support S2 pouvant avantageusement être un radiateur. Selon une variante de l'invention, la matrice organique comportant les particules est un matériau organique dont la viscosité varie avec la température (polymère thermoplastique, paraffine etc...). L'assemblage est ainsi réalisé à une température suffisamment élevée pour que la viscosité de la matrice permette l'alignement des particules et la réalisation d'un contact intime avec les surfaces SI et S2. Le retour à une température plus basse permet de figer le materiau, permettant d'assurer l'adhésion de la surface S2 sur la surface SI, ainsi que la conservation de l'alignement des particules Selon une variante illustrée grâce aux figures 9a à 9d, la réalisation d'un composite comportant des particules orientées peut être réalisé avant l'assemblage final. Le monomère Moä comportant des particules NS est réticulé sous champ magnétique sur un substrat, ou entre deux substrats. Le film composite comportant des particules orientées est ensuite délaminé du ou des substrats et reporté entre les surfaces SI et S2. La matrice dans ce cas est de préférence choisie de manière à permettre de développer une adhésion sous pression lors du report du film entre les deux surfaces SI et S2 (adhésif sensible à la pression).15

Claims (17)

  1. REVENDICATIONS1. Composant comportant une interface thermique insérée entre un premier support (Si) et un deuxième support (S2) caractérisé en ce que l'interface comporte des particules magnétiques (NS).
  2. 2. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interface comporte un matériau composite comprenant un liant organique et des particules comportant au moins une partie ferromagnétique. 10
  3. 3. Composant selon la revendication 2, caractérisé en ce que les particules sont des particules ferromagnétiques.
  4. 4. Composant selon la,revendication 2, caractérisé en ce que les particules sont des particules de type nickel , fer ou cobalt ou alliages.
  5. 5. Composant selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le liant est un polymère (Poly) de type thermodurcissable, élastomère ou thermoplastique, ou une paraffine. 20
  6. 6. Composant selon la revendication 5, caractérisé en ce que le polymère est de type époxy ou acrylate.
  7. 7. Composant selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que les particules sont oblongues.
  8. 8. Composant selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les particules sont des particules mixtes ferromagnétiques et bonnes conductrices thermiques grâce à la présence d'éléments pouvant typiquement être de type métal à forte conductivité thermique. 15 25 30
  9. 9. Composant selon la revendication 8, caractérisé en ce que les particules sont des particules présentant un coeur ferromagnétique et une coquille métallique.
  10. 10. Composant selon la revendication 8, caractérisé en ce que les particules sont oblongues et comportent une partie centrale métallique et des extrémités ferromagnétiques.
  11. 11. Composant selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé ~o en ce qu'un des supports comporte au moins un composant électronique élémentaire susceptible de s'échauffer en fonctionnement.
  12. 12. Procédé de fabrication d'un composant selon l'une des revendications 2 à 11, caractérisé en qu'il comprend les étapes suivantes : 15 - le dépôt d'un mélange fluide de liant organique et de particules au moins en partie ferromagnétique à la surface d'un substrat ; - l'orientation desdites particules par aimantation ; - la rigidification du milieu fluide permettant de figer les particules orientées au sein du liant organique et de réaliser l'interface thermique.
  13. 13. Procédé de fabrication d'un composant selon la revendication 12, caractérisé en ce que le liant organique comporte des monomères, la rigidification du milieu fluide étant réalisée par polymérisation. 25
  14. 14. Procédé de fabrication d'un composant selon la revendication 12, caractérisé en ce que le liant organique possède une basse viscosité à haute température, la rigidification du milieu étant réalisée par refroidissement. 30
  15. 15. Procédé de fabrication d'un composant selon l'une des revendications 12 ou 13 ou 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre le 20retrait de l'interface réalisée et son report entre un premier support et un second support.
  16. 16. Procédé de fabrication d'un composant comportant la réalisation d'une interface thermique selon l'une des revendications 2 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte la fabrication de particules ferromagnétiques par croissance électrolytique au travers d'un masque poreux.
  17. 17. Procédé de fabrication d'un composant selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend successivement la croissance électrolytique de dépôt ferromagnétique, métallique et ferromagnétique de manière à réaliser des particules mixtes.
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