La soutenance de thèse de Tara Niakan intitulée : « Compréhension du (ou des) mécanisme(s) impliqué(s) dans la rupture diélectrique des matériaux céramiques utilisés dans les substrats de l’électronique de puissance », aura lieu le jeudi 5 septembre à 09h30 à l’amphithéâtre Concorde (bâtiment U4 de l’université Toulouse III – Paul Sabatier).
Résumé :
La demande croissante en énergie, notamment sous forme électrique, amène à concevoir et utiliser de plus en plus de convertisseurs statiques. En effet, l’utilisation de cette énergie depuis sa génération jusqu’à son utilisation finale nécessite des transformations pour limiter les pertes et adapter la forme de la tension au type de charges alimentées. Traditionnellement, cette conversion d’énergie se faisait à travers d’installations complexes, de grande taille et pas toujours fiables, notamment dans les applications de fortes puissances. Durant les dernières décennies, ceci grâce à l’utilisation des semi-conducteurs dans les systèmes d’Électronique de Puissance, la transformation et l’adaptation d’énergie électrique s’effectuent avec des dispositifs moins volumineux ayant une efficacité supérieure par rapport aux systèmes traditionnels. Cette transition fût crucial et permit l’adoption de systèmes électriques pour des utilisations embarquées, notamment dans les applications ferroviaires, aéronautiques et automobiles. Dans les modules de puissance, véritables briques de base des convertisseurs hautes tensions-forts courants, des semi-conducteurs sont assemblés dans un boitier assurant les interconnexions électriques, l’isolation électrique des différents constituants, la dissipation de chaleur et la protection contre les agressions externes. En prenant compte les besoins d’extraction de la chaleur dans les modules de moyennes et fortes puissances (qqs kV, et qqs 100A), le choix du matériau du substrat est très restreint de sorte que les céramiques pour l’isolation des semi-conducteurs deviennent incontournable.
Les céramiques doivent assurer le rôle d’isolant électrique en même temps que le transfert de flux de chaleur généré depuis le semi-conducteur vers le système de refroidissement. Actuellement les céramiques les plus utilisées au sein des modules d’électronique de puissance sont l’alumine, le nitrure d’aluminium et l’oxyde de béryllium. En raison de son faible coût comparé aux autres céramiques, l’alumine est la plus utilisée, notamment pour les tensions commutées inférieurs à 3kV. L’isolation électrique des modules de puissance est donc fortement dépendante des caractéristiques diélectriques du substrat. Cela signifie que la compréhension des mécanismes mis en jeu lors de la rupture diélectrique de ces substrats est non seulement un outil clé pour dimensionner les systèmes, mais aussi, un moyen pour obtenir de nouveaux matériaux encore plus fiables.
L’objectif de ce travail de thèse est d’apporter notre contribution à la compréhension du(des) mécanisme(s) influençant la rupture diélectrique des alumines. Sachant que dans la gamme de température variant de 0°C à 200°C, le mécanisme de claquage diélectrique des céramiques le plus mentionné dans la littérature est celui d’une rupture électromécanique. Les propriétés électriques et mécaniques des céramiques pourraient donc être intimement liées. La théorie selon laquelle la propagation d’une fissure préexistante sous l’effet du champ électrique est mentionnée dans les travaux antérieurs comme étant un élément clé. En se basant sur ce principe, nous avons effectué des caractérisations diélectriques et mécaniques sur des échantillons d’alumines industrielles. Ces essais ont été divisés en deux parties : ex-situ et in-situ. Les essais ex-situ ont consisté à effectuer une précontrainte mécanique suivie d’une rupture diélectrique, et inversement, une précontrainte électrique suivie d’une rupture mécanique pour identifier leur effets respectifs. Les essais in-situ ont nécessité un dispositif permettant de combiner simultanément contrainte électrique et mécanique. Dans ce but, un nouveau banc d’essai de test électromécanique combiné a été mise en œuvre, permettant plusieurs configurations de tests.
Abstract:
The growing demand for energy, particularly in electrical form, leads to the design and use of more and more static converters. Indeed, the use of this energy from its generation to its final use requires transformations to limit losses and adapt the form of the voltage to the type of loads supplied. Traditionally, this energy conversion was carried out through complex, large and not always reliable installations, particularly in high power applications. During the last decades, thanks to the use of semiconductors in Power Electronics systems, the transformation and adaptation of electrical energy are carried out with smaller devices having greater efficiency compared to systems traditional. This transition was crucial and enabled the adoption of electrical systems for on-board uses, particularly in railway, aeronautical and automotive applications. In the power modules, the real building blocks of high voltage-high current converters, semiconductors are assembled in a box ensuring electrical interconnections, electrical insulation of the different components, heat dissipation and protection against attacks. external. Taking into account the heat extraction needs in medium and high power modules (a few kV, and a few 100A), the choice of substrate material is very limited so that ceramics for semiconductor insulation become essential.
The ceramics must ensure the role of electrical insulator at the same time as the transfer of heat flow generated from the semiconductor to the cooling system. Currently the most widely used ceramics in power electronics modules are alumina, aluminum nitride and beryllium oxide. Due to its low cost compared to other ceramics, alumina is the most used, particularly for switched voltages below 3kV. The electrical insulation of power modules is therefore strongly dependent on the dielectric characteristics of the substrate. This means that understanding the mechanisms involved during the dielectric breakdown of these substrates is not only a key tool for sizing systems, but also a means of obtaining new, even more reliable materials.
The objective of this thesis work is to make our contribution to the understanding of the mechanism(s) influencing the dielectric breakdown of alumina. Knowing that in the temperature range varying from 0°C to 200°C, the mechanism of dielectric breakdown of ceramics most mentioned in the literature is that of an electromechanical rupture. The electrical and mechanical properties of ceramics could therefore be closely linked. The theory that the propagation of a pre-existing crack under the effect of the electric field is mentioned in previous work as being a key element. Based on this principle, we carried out dielectric and mechanical characterizations on industrial alumina samples. These tests were divided into two parts: ex-situ and in-situ. The ex-situ tests consisted of carrying out a mechanical prestress followed by a dielectric rupture, and conversely, an electrical prestress followed by a mechanical rupture to identify their respective effects. The in-situ tests required a device to simultaneously combine electrical and mechanical stress. To this end, a new combined electromechanical test bench has been implemented, allowing several test configurations.
