Tableau récapitulatif des techniques de fabrication additive pour la céramique

Les techniques de fabrication additive présentées précédemment sont relativement nouvelles. Elles ne sont pas forcément explorées pour la fabrication de céramiques dédiées à l’électronique de puissance et / ou non plus caractérisées pour ces applications. Nous pouvons établir un tableau de synthèse qui permet de classer les méthodes de fabrication additive pour la céramique selon la matière de base utilisée et le procédé de mise en forme apparenté (Tableau 3).

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Principal avantage et / ou inconvénient

Pas besoin d’étape de frittage. Tolérance des défauts.

฀ Chocs thermiques, cela génère des défauts au niveau

microstructurel.

฀ Pas besoin d’étape de frittage. Matériaux denses (95 %).

฀ Fabrication de grandes pièces. L’empilement granulaire n’est pas très bon.

Pièces poreuses.

Vitesse de construction lente. ฀ L’empilement granulaire est maîtrisé.

Coût de fabrication élevé. Trouve sa place si la forme de l’objet est complexe.

A l’inverse du jet d’aérosol, le jet d’encre doit avoir une distance de goutte fixe.

Principe

L’impression se fait couche par couche. Un rouleau dépose une fine couche de poudre, un laser balaye chaque couche de poudre et le fritte localement.

Un aérosol est accéléré et projeté à travers une buse sur un substrat, les grains se fragmentent lors de l’impact et forment le dépôt.

L’impression se fait couche par couche. Un rouleau dépose une fine couche de poudre. Le liant est ensuite déposé par une tête d’impression (buse).

Etape de frittage nécessaire après réalisation de l’objet pour enlever toutes traces de liant. Photopolymérisation d’une résine photosensible chargée en céramique par l’action d’un rayonnement ultraviolet. Etape de frittage nécessaire après réalisation de l’objet pour enlever toutes traces de polymères. Projection de matériau par jet d’encre ou jet d’aérosol, la tête d'impression se déplace et distribue des gouttelettes de matériaux photopolymères. Etape de frittage nécessaire après réalisation de l’objet pour le durcir.

Epaisseurs Couches successives de 10 µm Couches successives de 1 µm Couches successives de 50 µm à 300 µm Couches successives de 30 µm à 100 µm Couches successives de 0,1 µm à 10 µm Matériaux céramiques Alumine, zircone, HAP, nitrure d’aluminium, porcelaine… Possibilité de déposer dans une même couche différents matériaux Alumine, zircone, HAP, nitrure d’aluminium, porcelaine… Alumine, zircone, HAP, nitrure d’aluminium, porcelaine… Possibilité de déposer dans une même couche différents matériaux

Nom français / Nom anglais

Frittage sélectif par laser :

SLS : Selective Laser Sintering

Déposition par aérosol froid :

ADM : Aerosol Deposition Method

BJP : Binder Jetting / Powder Bed

3D Printing

Stéréolithographie :

SLA : Stereolithography Apparatus DLP : Stereolithography : Digital

Light Processing

Jet d’encre ou d’aérosol :

Aerosol Jet Printing Ink Jet Printing Matière de base Poudre Jet de liant Liquide (pâte) Liquide (encre)

Tableau 3 : Tableau classant les méthodes de fabrication additive pour la céramique selon la matière de base utilisée et le procédé de mise en forme apparenté (฀ avantage / ฀ inconvénient)

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III.5. Les technologies envisagées pour la réalisation du substrat avec structure en mesa

La première voie possible pour la fabrication de substrat céramique de géométrie mesa, pourrait être par le procédé conventionnel de moulage et de pressage, à l’aide d’un moule de la géométrie voulue puis de procéder au frittage de la pièce. Ou bien avoir recours à un usinage à cru d’une plaque de substrat pour réaliser la géométrie.

La deuxième voie envisageable se trouve parmi les techniques de fabrication additive dédiées à la céramique présentées précédemment. Les procédés de fabrication qui semblent les plus appropriés pour la réalisation de substrat céramique et précisément AlN, sont la stéréolitographie SLA et la déposition par aérosol froid ADM. La méthode SLA est un procédé maîtrisé, alors que l’ADM nécessiterait une étude approfondie sur le comportement thermique des pièces fabriquées par cette technique. Ces deux techniques permettent la réalisation de pièces denses. Cependant nous n’avons pas identifié dans la littérature d’études concernant les comportements électriques des céramiques issues de la fabrication additive.

Le problème commun aux deux voies décrites précédemment est l’étape de métallisation qui constitue le principal verrou technologique. En particulier, le dépôt du cuivre sur toute la zone dédiée à l’électrode en forme de mesa (Figure 60) pose des problèmes de centrage de l’électrode, d’alignement vertical de la métallisation avec la mesa et de maîtrise de la géométrie des bords du dépôt (profil de gravure). Or cet alignement et ce profil vertical sont deux paramètres clés pour la réduction du renforcement de champ au point triple comme vu au chapitre précédent.

Figure 60 : Schéma descriptif des éventuelles difficultés rencontrées lors de la métallisation d’un substrat de type mesa

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Finalement, la solution pour s’affranchir de ce problème serait de procéder à l’usinage d’un substrat déjà métallisé comme le montre la Figure 61. Plusieurs techniques d’usinages adaptées au travail de la céramique AlN existent, que nous allons développer dans la suite.

Figure 61 : Schémas de la solution par usinage envisagée pour la fabrication du substrat métallisé en géométrie mesa

III.5.1. La gravure : fraisage et carottage

La céramique AlN métallisée peut être mise en forme par fraisage ou bien carottage, cette technique permet le retrait à la fois du cuivre et de l’AlN, garantissant ainsi la continuité des flancs cuivre et céramique. L’outil de coupe utilisé pour réaliser un carottage doit être fabriqué sur mesure, aux cotes spécifiques de l’empreinte voulue. Les principaux inconvénients de la gravure par fraisage ou par carottage sont la pression mécanique qu’exerce l’outil sur la pièce pouvant entraîner la destruction de celle-ci, et l’élévation de température lors de l’ablation mécanique notamment lors de la découpe de deux matériaux de dureté différente. Un système de refroidissement thermique durant l’usinage doit être mis en place. Enfin l’usure de l’outil est à prendre en compte au fur et à mesure de son utilisation, car elle impacte la répétabilité des empreintes à effectuer.