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HAL Id: tel-01617792 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01617792 Submitted on 17 Oct 2017 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Définition et mise en oeuvre d’un matériau composite à matrice métallique pour les packagings d’électronique embarquée Christophe Perron To cite this version: Christophe Perron. Définition et mise en oeuvre d’un matériau composite à matrice métallique pour les packagings d’électronique embarquée. Autre [cond-mat.other]. Université de Bordeaux, 2017. Français. NNT : 2017BORD0646. tel-01617792 THÈSE PRÉSENTÉE POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE BORDEAUX ÉCOLE DOCTORALE SCIENCES PHYSIQUE ET DE L’INGENIEUR SPÉCIALITÉ : MECANIQUE Par Christophe PERRON DEFINITION ET MISE EN ŒUVRE D’UN MATERIAU COMPOSITE A MATRICE METALLIQUE POUR LES PACKAGINGS D’ELECTRONIQUE EMBARQUEE Sous la direction de : Corinne ARVIEU (co-direction : Eric LACOSTE) Soutenue le 11 juillet 2017 Membres du jury : M. ALEXIS Joël Professeur ENI – Tarbes Président & Rapporteur M. GIROT Franck Professeur ETSI – Université du Pays Basque Rapporteur M. COLIN Christophe Enseignant-chercheur Centre des Matériaux – Mines ParisTech Examinateur M. LARGETEAU Alain Ingénieur Recherche ICMCB – Université de Bordeaux Examinateur M. MAISONNAVE Nicolas Ingénieur ArianeGroup Examinateur Mme ARVIEU Corinne Maître de Conférences HDR I2M – Université de Bordeaux Examinateur M. LACOSTE Eric Professeur I2M – Université de Bordeaux Examinateur Thèse préparée à : Institut de Mécanique et d’Ingénierie de Bordeaux Département Matériaux Procédés Interactions UMR CNRS 5295, Université de Bordeaux 15 rue de Naudet CS 10207 – 33175 Gradignan Cedex – France 3 Définition et mise en œuvre d’un matériau composite à matrice métallique pour les packagings d’électronique embarquée Résumé : Les packagings d’électronique embarquée sont actuellement en alliages d’aluminium. A partir d’une étude de sélection des matériaux, complétée par une simulation numérique thermique, nous avons démontré qu’un matériau composite constitué d’une matrice aluminium et de fibres de carbone à forte conductivité thermique, représente un fort potentiel de gain de masse sur ces équipements. Cependant, le couplage de ces deux matériaux génère des problèmes d’élaboration en raison d’incompatibilités fortes parmi lesquelles un mouillage très faible du carbone par l’aluminium liquide et une réactivité chimique élevée qui conduit à la formation de carbures d’aluminium préjudiciables pour le matériau final. Deux voies d’élaboration distinctes ont été envisagées :  Une voie liquide où l’utilisation d’un agent de mouillage (un sel fluoré) a permis d’obtenir la montée par capillarité du métal dans des mèches de fibres.  Une voie solide basée sur une technique originale d’empilements de feuillets d’aluminium et de fibres de carbone avec le procédé de Spark Plasma Sintering (SPS). La seconde technique s’est révélée prometteuse en permettant d’obtenir des échantillons multicouches sans porosités, un endommagement très limité des fibres et une architecture contrôlée. Notre étude a montré que la formation de carbures d’aluminium est limitée. De plus, une meilleure compréhension du SPS ou l’application d’un revêtement sur les fibres devraient permettre d’éviter la formation de ces carbures. Les tentatives de caractérisations mécanique et thermique effectuées sur ces échantillons donnent un premier aperçu de l’efficacité du renforcement de l’aluminium par les fibres de carbone. Mots clés : Composite à matrice métallique (CMM) – Aluminium – Fibres de carbone – Spark Plasma Sintering (SPS) – Allègement Definition and manufacturing of a metallic matrix composite for embedded electronics packaging Abstract : Embedded electronic packagings are currently made of aluminum. A first study – based upon a material selection method completed by numerical analysis – showed that a metal matrix composite made of aluminum and highly thermal conductive continuous carbon fibers represents a high potential upon weight savings for those equipments. Though, coupling these components represents numerous challenges due to their incompatibility such as a really low wetting of carbon- liquid aluminum system and its unavoidable chemical reactivity that leads to the formation of aluminum carbides that are harmful for the final material. Two manufacturing routes were considered:  A liquid route using a wetting agent (fluorinated salts) led the metal to rise along carbon fibers by capillarity.  A solid route based upon a novel technique of aluminum foils and carbon fibers stacking using the Spark Plasma Sintering (SPS) process. This second technique revealed to be very promising and allowed to obtain multilayer samples with no porosities, highly limited fiber damages and controlled composite architecture. Our study shows that aluminum carbides formation is limited. Moreover, a deeper comprehension of SPS process or the deposit of fiber coatings would prevent this carbide formation. Attempts of mechanical and thermal characterization led upon such samples give a first overview of the efficiency of the aluminum reinforcement by carbon fibers. Keywords : Metallic matrix composites (MMC) – Aluminum – Carbon Fibres – Spark Plasma Sintering (SPS) – Weight saving 4 Remerciements : Merci à M. Joël Alexis d’avoir accepté de présider le jury qui a évalué l’ensemble des travaux traités dans ce manuscrit. Merci en particulier aux rapporteurs MM. Joël Alexis et Franck Girot pour le temps qu’ils ont passé pour faire une lecture complète et critique de ce manuscrit ainsi que pour les remarques intéressantes qui en ont découlé pour les discussions à l’issue de la soutenance. Merci également aux rapporteurs MM. Christophe Colin et Alain Largeteau pour leur participation, leur évaluation et l’intérêt manifesté pour ces travaux. Merci enfin à M. Nicolas Maisonnave pour l’apport de son point de vue industriel. Ces travaux de thèse se sont déroulés au laboratoire I2M de l’université de Bordeaux dans le cadre du projet FUI WASPE inscrit au pôle Aerospace Valley. Un remerciement va donc à BPI France pour les financements qui nous ont permis de réaliser les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit. Merci au laboratoire I2M et à son directeur M. Eric Arquis de m’avoir accueilli. Je remercie ma directrice de thèse Corinne Arvieu, Maître de conférences à l’université de Bordeaux ainsi que mon co-directeur Eric Lacoste, Professeur universitaire de l’université de Bordeaux. Merci à eux de m’avoir laissé l’opportunité de faire ces travaux et de m’avoir prodigué conseils et appuis. Ils m’ont permis au cours de ces trois années d’avancer à chaque étape avec exigence et indulgence pour parvenir à la présentation de travaux complets. Je remercie également Wafa Ben-Rhouma pour son apport précieux aux travaux du Chapitre 3 ainsi que Jean-Michel Quenisset que nous avons sollicité à maintes reprises pour des échanges toujours productifs. Merci à Alain Largeteau et U-Chan Chung, ingénieurs de recherche CNRS de l’Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux qui m’ont permis l’accès et guidé sur les expériences de SPS. Merci aux personnes qui m’ont accueillies pour diverses manips de microscopie et caractérisations : Michel Lahaye à Placamat (Bordeaux) pour l’Auger ; Claudie Josse et Lucien Datas du centre de caractérisation Raimond Castaing (Toulouse) pour le MEB-FIB et le MET ; l’ENI de Tarbes pour des essais thermiques. Un grand merci également à Catherine pour toutes les indispensables tâches administratives remplies au cours de ces longs mois. Une pensée va également à l’ensemble de nos partenaires du projet WASPE avec qui la collaboration a été très intéressante pendant plus de trois années. Merci particulièrement à Muriel Sabah de Safran Electronics & Defense de m’avoir fait entrer au cœur de ce projet, 5 ainsi qu’à Nicolas Maisonnave, pilote du projet pour Safran, pour les quelques discussions partagées pour préparer mon après-thèse. Je souhaite par la suite remercier l’ensemble des personnes rencontrées au cours de mes années de thèse pour leur apport, soutien et conseils : toutes les personnes croisées au laboratoire qui m’ont aidé de près ou de loin à divers moments, autour de manips, questions techniques, existentielles ou simplement pour une grille de mots-fléchés. Sans prétendre être exhaustif : Jean-Marc, Matthieu, François-Xavier, Christophe, Alain, Stéphane, Claire, Paul … Ces trois années auraient également été bien plus difficiles sans collègues de bureau, sans l’asso SPIDoc et l’ensemble des amitiés forgées depuis mon arrivée à Bordeaux. C’est donc à cœur joie que j’y vais en vrac : Mille mercis et moult bisous à Tortank, Zorro, Toto, Quintine, Mokette, Anaïs et Lucas Coïtaux, Cisto, Tifouine, Valoche, Gomar, Jérémie, Anne- C, Jean-Gab … Merci également à l’Ours et son équipe qui m’ont régulièrement sustenté, remis de bonne humeur et apporté bien des rencontres. Pour (enfin !) clôturer l’ensemble de mes études, je dois remercier mes parents qui m’ont emmené à l’école par la main il y a 23 ans puis m’ont supporté, encouragé et donné les moyens d’arriver au bout de ce long chemin. Merci à Eric et Audrey qui ont également vécu ces années avec moi ainsi qu’à l’ensemble de la grande famille avec qui c’est toujours un plaisir de se retrouver. Merci d’avoir été si nombreux à venir me soutenir. Une avant-dernière phrase pour le petit uploads/Ingenierie_Lourd/ perron-christophe-2017-pdf 1 .pdf