Cette étude s’inscrit dans le cadre d’un projet ADEME (Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie) et a pour objectif la réduction du frottement entre chemise et segments via l’introduction de nouveaux revêtements. Notre rôle était de proposer à nos partenaires des matériaux de revêtements de type métal-intermétalliques complexes aux propriétés de frottement optimisées. Dans un premier temps, nous avons élaboré par frittage à l’état solide des matériaux composites Al/(AlCuFeB)p contenant des particules intermétalliques complexes (alliages quasicristallins de structure icosaédrique du système AlCuFeB) renforçant une matrice d’aluminium pur. Cette partie de l’étude consiste à étudier les cinétiques de transformations de phases résultantes de la diffusion de l’aluminium provenant de la matrice vers les particules icosaédriques. Il a été montré que la déstabilisation de la phase icosaédrique peut être évitée par la création d’une barrière de diffusion via un prétraitement d’oxydation des particules AlCuFeB. Ensuite, l’étude par microscopie électronique a permis d’identifier une nouvelle phase approximante de la phase icosaédrique du système AlCuFe. Il s’agit d’une phase orthorhombique qui à notre connaissance est observée ici pour la première fois. Enfin, les propriétés mécaniques et de frottement de ces nouveaux matériaux sont présentées. Les matériaux composites Al/(AlCuFeB)p élaborés ont des propriétés améliorées par rapport à l’aluminium non renforcé. L’évolution des propriétés est influencée par le taux de particules AlCuFeB et leur état d’oxydation initial. Les propriétés sont améliorées lorsque la fraction volumique de particules augmente mais de façon moindre quand les particules AlCuFeB sont fortement oxydées. / The present study was performed in the framework of a project funded by the ADEME agency (French Agency for Environment and Energy Management), aiming at the reduction of friction loss in car engines through the introduction of new tribological coatings. Our task was to propose our partners new coating materials based on metal-intermetallic nano-composites with optimized friction properties. In a first part, we have prepared by solid state sintering new Al-based composite materials reinforced by quasicrystalline icosahedral particles Al/(AlCuFeB)p. The kinetics of phase transformations resulting from the diffusion of Al matrix to the quasicrystalline particles was studied. It was shown that the destabilization of the icosahedral phase can be avoided by the creation of a diffusion barrier via an oxidation pre-treatment of the AlCuFeB particles. In a second part, the results of a structural study of the composites by transmission electron microscopy are presented. We also describe a new approximant of the quasicrystalline AlCuFe icosahedral phase. This phase was identified as an orthorhombic phase which, to our knowledge, is observed here for the first time. Finally, the mechanical and friction properties of the composites are presented. We show that the composite materials have improved properties compared to aluminium and that their evolution is influenced by the volume fraction of AlCuFeB particles and their initial state of oxidation. The best properties are obtained when the volume fraction of the particles is increased, but in a less pronounced manner when the AlCuFeB particles are strongly oxidized.

Thermal management is a major bottleneck for the next-but-one generation of semiconductor devices, especially the performance of SiC and GaN devices is limited by heat dissipation. This thesis evaluates four new packaging concepts with regards to thermal management: Diamond based substrates, phase change materials, Cu-Graphene composite films and anisotropic heat dissipation. Anisotropic heat dissipation is shown to be the most auspicious concept. A metal-matrix composite baseplate for a high performance power module using annealed pyrolytic graphite is created and evaluated. The baseplate shows a locally increased heat dissipation compared to a plain metal baseplate by 30 %. Furthermore, the thermal contact between device (baseplate) and cooler is of high importance. A study of different characterization methods for thermal interface materials is performed and a new method for the quantification of the thermal contact conductance is presented. The study shows that a combination of several methods is necessary so that the complete picture of heat dissipation performance of thermal interface materials becomes apparent. The new developed method allows to select the perfect thermal grease for a given combination of device and cooler. / Wärmemanagement ist eine große Herausforderung sowohl für aktuelle als auch für zukünftige Halbleiterprodukte. Speziell die nächste Produktgeneration mit SiC oder GaN Chips benötigen neue Entwärmungskonzepte, um ihr volles Potential bezüglich höherer Stromstärken zu entfalten. In dieser Arbeit wurden vier neuartige Konzepte erforscht: Diamant basierte Substrate, Phasen-Wechsel-Materialien, Cu-Graphene Kompositschichten und anisotrope Entwärmung. Es zeigte sich, dass anisotrope Entwärmung das vielversprechendste Konzept ist. Als Demonstrator wurde eine Bodenplatte mit thermisch pyrolytischen Graphiteinleger für ein Leistungsmodul gefertigt. Sie zeigt eine lokale Erhöhung der Entwärmung von 30 %. Weiter ist der thermische Kontakt zwischen Bauteil und Kühler sehr wichtig. Verschiedene Charakterisierungsmethoden für thermische Schnittstellen-Materialien wurden verglichen. Dieser Vergleich zeigt, dass eine Kombination verschiedener Methoden notwendig ist, um ein vollständiges Bild über die Leistungsfähigkeit solcher Materialien zu gewinnen. Eine neue Messmethode wurde entwickelt, um die thermische Kontakt-Leitfähigkeit zu messen. Diese neue Methode ermöglicht es, die beste Wärmeleitpaste für eine vorgegebene Kombination aus Produkt und Kühleroberfläche zu identifizieren.

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