Plus de la moitié des pannes dans l'électronique de puissance est liée à une mauvaise évacuation de la chaleur induite par les composants électroniques. Pour y remédier, une équipe de recherche bordelaise expérimente la fabrication, par impression 3D, de matériaux composites associant un métal et un des conducteurs thermiques les plus performants : le diamant. Un défi retors, aux perspectives enthousiasmantes. 

Plus les composants électroniques se miniaturisent et gagnent en puissance, plus la dissipation de la chaleur devient critique et s’impose comme une problématique centrale. Ce verrou, parmi les plus difficiles à lever en électronique de puissance, conditionne la fiabilité de systèmes désormais essentiels à l’aéronautique, aux véhicules électriques et aux télécommunications. Pour y remédier, une équipe menée par Jean-François Silvain et Amélie Veillère à l’l’Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux [3]1 (ICMCB) a choisi d’associer le cuivre (Cu), excellent conducteur électrique et thermique, au diamant (D), réputé pour son excellente conductivité thermique. Mais ce dernier a la fâcheuse tendance à ne pas se laisser usiner facilement. Ainsi, afin d’obtenir des formes complexes de ces matériaux composites Cu/D, la fabrication additive (impression 3D) semble prometteuse pour produire directement la pièce dans sa géométrie finale (net shape).

Au pied du mur des 5 % volumique

Pour constituer ce matériau composite, l’équipe opte dans un premier temps pour la fusion laser sur lit de poudre (LPBF). Ce procédé consiste à faire parcourir une certaine trajectoire à un laser sur une couche de poudre de cuivre et diamant de 50 à 100 µm et de créer localement un melting pool, une zone fondue. Mais avec ce procédé, une limite s’impose rapidement aux chercheurs : « impossible de dépasser 5 % de fraction volumique de diamant » sans déstabiliser le bain de fusion, explique Jean-François Silvain. Au-delà, la viscosité devient incontrôlable et Amélie Veillère explique que cette proportion volumique de diamant « n'est pas suffisant pour améliorer les propriétés ». 
 

Schéma représentant les principaux paramètres influents du procédé LPBF.
© Emmanuel Loubère, 2025.

Les chercheurs bordelais ont néanmoins tenté de contourner le problème en changeant la longueur d’onde du laser, passant du rouge au vert pour améliorer l’absorption du cuivre. « Le cuivre absorbe mieux avec un laser vert qu’avec un laser rouge », explique Amélie Veillère, mais « le diamant, lui, absorbe trop le laser vert et se transforme en graphite. » Les chercheurs concluent ainsi à l’impossibilité de « faire un matériau composite Cu/D par un procédé laser ». 

Ce serait mal connaître l’opiniâtreté de la communauté scientifique que de l’imaginer bloquée au pied du mur.

De la voie liquide à la voie solide

Changement de stratégie. La stratégie sur poudre est une impasse, les scientifiques s’intéressent donc à la voie solide. « L'extrusion de pâte chargée », pour être précis. « Cette pâte, détaille Jean-François Silvain, peut être chargée jusqu’à 30-40 % en volume de renfort », avant d’être imprimée en 3D. Il reste aux chercheuses et aux chercheurs à densifier cette pate sans créer trop de porosité (moins de 4-5 % de porosité après frittage) et éviter ainsi d’en faire « un matériau isolant », note le directeur de recherche CNRS.

Dans le cas d’une pâte extrudée, l’obtention de propriétés satisfaisantes implique « de bien contrôler l’interface entre le cuivre et la poudre de diamant », observe Amélie Veillère. L’équipe travaille donc aussi sur la surface de contact entre le cuivre et le diamant, en déposant par exemple des couches de titane ou de tungstène sur les particules pour créer une interphase (fine couche réactive formée entre les deux matériaux) plus stable lors des cycles thermiques.
 

Illustration de la méthode par extrusion de pâte.
D’après © Alice Ratsimba, 2024.

Le défi de la surface

Une fois produites, les pièces issues de la fabrication additive peuvent présenter une rugosité importante et perturber la dissipation thermique d’un composite, compliquer l’assemblage ou dégrader l’adhésion lors du brasage. En parallèle de la production de poudres adaptées à l’impression 3D et de la caractérisation des interfaces, l’équipe a donc testé un laser femtoseconde (ultracourt) pour le polissage de la surface du matériau. « Nous avons réussi à avoir des rugosités de surface en dessous du micron », se réjouit Amélie Veillère. Dans une publication parue en 2025 (Results in Surfaces and Interfaces), publiée en collaboration avec l’Université du Nebraska -Lincoln (États-Unis), les chercheurs montrent ainsi une réduction de la rugosité de 98 %. 
 

Micrographies au microscope électronique à balayage : (a) surface initiale du composite ; (b) différence entre la surface initiale et celle polie au laser ; (c) surface après polissage ; (d) structures périodiques de surface induites par laser (LIPSS) sur le cuivre. 
© Loubère, et al. Diamond and Related Materials, 2026.

Cette maîtrise de la surface ainsi que le travail mené sur la fabrication des matériaux composites, ouvrent la voie à une nouvelle génération de matériaux plus performants. Car, au‑delà du métal/diamant, les chercheurs préfigurent aussi la fabrication de matériaux composites sur mesure, combinant plusieurs renforts carbonés (graphite, fibre de carbone, nanotubes de carbone, graphène…). De la voiture électrique au synchrotron du CERN, où certains composites issus de l’équipe sont déjà utilisés, ces matériaux pourraient s’avérer précieux pour aider les systèmes électroniques de demain à mieux « négocier » avec la chaleur qu’ils génèrent. 

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Ces recherches ont été financées en tout ou partie par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet 3DCOMPOSITE (ANR-21-CE08-0015). Cette communication est réalisée et financée dans le cadre de l’appel à projets Sciences Avec et Pour la Société – Culture Scientifique Technique et Industrielle.