Jérémy DELTOUR soutiendra sa thèse le jeudi 11 juillet 2024 , à 9h30, au LAPLACE site UT3, (amphithéâtre 2 du bâtiment MRV )
Titre de la thèse : « Conception de substrats céramiques métallisés architecturés pour la montée en tension des modules de puissance destinés aux applications à moyenne tension ».
Direction de thèse : David MALEC, groupe MDCE
Résumé : L’émergence de composants de puissance à semi-conducteur « Grand Gap » à tension de rupture élevée permet d’envisager une montée en tension et en fréquence significative des modules de puissance, pouvant permettre d’améliorer le rendement et de réduire la masse des convertisseurs d’énergie électrique, utilisés notamment dans les domaines des réseaux HVDC et des transports (ferroviaire, automobile, aéronefs). Ainsi, la conception de modules de puissance fonctionnant jusqu’à 20 kV est un réel enjeu, les modules commerciaux actuels, équipés de puces en silicium, ne dépassant pas un calibre de 6,5 kV ; quelques prototypes 10 kV sont en cours de test. Néanmoins, cette montée en tension s’accompagne de contraintes électriques plus sévères sur le système d’isolation électrique (S.I.E.) interne du module, généralement constitué d’un substrat céramique métallisé et d’un gel silicone d’encapsulation. Ces nouvelles contraintes demandent de repenser globalement la conception du packaging des modules de puissance et du S.I.E. en particulier, afin d’accroître leur tenue en tension.
L’objectif de cette thèse est double : étudier les phénomènes affectant la tenue du substrat céramique métallisé épais et de son matériau encapsulant, dans une gamme de tension au-delà de 10 kV, et en déduire des solutions de mise en œuvre permettant la conception d’un module de puissance de calibre 20 kV.
Après un état de l’art des différents mécanismes conduisant à l’apparition de décharges partielles et à la rupture diélectrique des solides et liquides, des substrats en nitrure d’aluminium (AlN) épais métallisés, de structure classique, ont été soumis à des mesures électriques en AC 50 Hz de la tension d’apparition des décharges partielles et de rigidité diélectrique. En plus de l’épaisseur du substrat, les effets du type de métallisation et du matériau encapsulant (liquide, gel et solide) sont évalués, aidant ainsi à identifier les mécanismes mis en jeu. Une analyse des dégradations post-claquage permet de compléter certaines observations. De même, des mesures de rigidité diélectrique en DC en polarités positive et négative ont été analysées. Enfin des solutions pour contrôler les mécanismes conduisant à l’apparition de décharges partielles puis à la rupture diélectrique sont mises en œuvre. Premièrement des solutions géométriques, proposées dans la bibliographie pour des substrats fins en vue de réduire le champ électrique au point triple entre céramique/métal/encapsulant, sont dimensionnées et testées sur des substrats en AlN de 3 mm d’épaisseur. Ces substrats architecturés ont permis une augmentation notable de la tension d’apparition des décharges partielles mais qui reste insuffisante pour les applications en haute tension visées. Une autre proposition de structure mise en œuvre a consisté en l’application d’un dépôt de parylène sur les substrats afin d’empêcher l’initiation de décharges dégradantes au sein du gel silicone. Les résultats obtenus montrent que cette solution permet également d’augmenter la tension d’apparition des décharges partielles.
Ce travail de thèse a démontré que pour concevoir un module de puissance fonctionnant sous des tensions pouvant atteindre 20 kV, il sera sans doute nécessaire de combiner plusieurs solutions de design et de choix des matériaux constituant leur système d’isolation électrique. En effet, l’importance des phénomènes physiques complexes apparaissant sous fort champ électrique à l’interface entre l’encapsulant et le substrat et dans le volume de l’encapsulant d’une part, et les limites des substrats architecturés d’autre part, ont en effet été mises en évidence dans le cadre de ce travail de thèse. Une meilleure compréhension et prise en compte en simulation des mécanismes de génération et de transports de charge seront nécessaires pour la conception de solutions d’isolation électrique efficaces de modules de puissance devant fonctionner à 20 kV.
