L`équipe matériaux magnétiques

Ecole Centrale de Lyon - INSA de Lyon – Université Claude Bernard Lyon 1
Laboratoire Ampère
Unité Mixte de Recherche du CNRS - UMR 5005
Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie environnementale
et Applications
Titre : Matériaux innovants pour le packaging
Laboratoire : Ampère, UMR CNRS 5005
Domaine scientifique principal : Energie & Sciences de la matière et des matériaux
Domaine scientifique secondaire : Isolation haute tension et haute température
Mots clés (5 max) : matériaux, électronique de puissance, haute-tension, haute température, semi-
conducteur
Directeurs de thèse
Dr. Hervé Morel [e-mail]
Dr. Jean-Louis Augé [e-mail]
Dr. Sébastien Pruvost [e-mail]
Départements concernés
- Energie
Groupes concernés
- Matériaux et EPI
Collaboration(s)/partenariat(s) extérieurs
- Laboratoire Ingénierie des Matériaux Polymères (UMR 5223)
Contexte Scientifique (5 lignes max)
Les recherches actuelles sur les composants de puissance à base de SiC et de diamant permettent
d’imaginer des interrupteurs avec des calibres en tensions de plusieurs kV et fonctionnant à haute
température. Les avancées technologiques actuelles permettent d'envisager dans les 5 prochaines
années des transistors en SiC de 15kV. Le verrou technologique se situe au niveau de
l'environnement (passivation, isolation) qui devra répondre aux nouvelles contraintes en tension et en
température.
Objectif de la thèse, verrous scientifiques et contribution originale attendue (1 page max)
L’objectif du travail de thèse est la caractérisation en tension et en température de nouveaux
matériaux isolants répondant aux exigences de demain en termes de tenue en tension et en
température. Dans les applications aéronautiques les facteurs limitant pour les convertisseurs sont le
poids et la température. L’ambiance est à 200°C. Dans les applications terrestres (ferroviaires et
super-grid), les limitations concernent plutôt la haute tension. Le composant du futur intègrera les
deux contraintes, température et tension. Actuellement les fabricants de composants proposent des
passivations secondaires en polyimide auxquelles sont associées des gels silicones. Ces derniers
sont limités en température à 150°C. Ce type de structure a été validé sur des modules IGBT 6,5kV /
600V / 125°C.
Pour prétendre à des modules fiables dans ces nouvelles conditions de fonctionnement les nouveaux
matériaux devront lever les verrous scientifiques suivants :
- Tenue en tension élevée lors du blocage de l’interrupteur. Une autre solution résiderait dans
l’étalement des lignes de champs en utilisant un matériau qui possède des propriétés non
linéaires par exemple.
- Ne pas créer de charges à proximité du semi-conducteur.
- Ne pas reporter toutes les contraintes en champ sur le composant SiC en utilisant un
diélectrique de permittivité trop importante. La permittivité aura une conséquence directe sur
le comportement CEM (di/dt).
- Le matériau doit avoir des caractéristiques thermo-mécaniques compatibles avec le SiC et
les bondings (CTE, module de Young).
- Compatibilité technologique avec l’élaboration du composant électronique
L’originalité de ce travail est de proposer et de caractériser de nouveaux matériaux susceptibles de
répondre aux nouvelles contraintes. Les polymères de la famille des polycyanurates sont
susceptibles de répondre à ces attentes. Les polycyanurates sont des thermodurcissables qui
polymérisent par condensation à l’air. A la différence des polyimides, ils ne nécessitent aucun solvant
et sont plus verts. La mise au point du matériau et des éprouvettes de test ainsi que les
caractérisations physico-chimiques se feront avec la collaboration du laboratoire Ingénierie des
Matériaux Polymères qui a encadré dans le cadre d’un PFE financé par l’institut Carnot une étude

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Laboratoire Ampère
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Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie environnementale
et Applications
préliminaire sur les polycyanurates [1].
Programme de recherche et démarche scientifique proposée (1/2 page max)
- Etude bibliographique sur les matériaux isolants répondant au cahier des charges
- Sélection de 1 ou 2 familles de matériaux
- Caractérisations physico-chimique et électrique des matériaux
- Simulation du comportement du composant en intégrant les résultats expérimentaux.
- Caractérisation d’un composant avec son isolation
L’étude bibliographique permettra de sélectionner quelques matériaux. Cependant des tests
préliminaires devront être effectués pour confirmer les données fournies dans la bibliographie. En
effet les conditions de tests spécifiques à notre application (haute tension, haute température) ne
sont pas celles utilisées dans les normes de tests pour déduire les spécifications. L’expertise de l’IMP
permettra d’ajuster les conditions de synthèse des matériaux polymères. M. Sébastien Pruvost ; McF
au laboratoire IMP participera au suivi de ces travaux.
La démarche consiste à suivre l’évolution des caractéristiques physiques et électriques des
matériaux suite à des contraintes en température et en tension. Des lois physiques seront extraites à
partir des résultats pour les intégrer dans un modèle de composants associé à son environnement.
La phase de conception de l’éprouvette de test sera une phase importante pour laquelle le (la)
candidat(e) devra dimensionner la cellule pour les mesures en haute tension
Profil du candidat recherché (prérequis) : spécialité sciences des matériaux / génie électrique. Goût
pour l’expérimentation.
Compétences développées au cours de la thèse et perspective professionnelle (5 lignes max)
Caractérisations physico-chimiques (DEA, DSC, MEB, IRTF)
Caractérisations électriques (I-V, spectroscopie diélectrique)
Métrologie faible courant et instrumentation haute tension
Les compétences et l’expérience acquises par le (la) doctorant(e) pendant sa thèse pourraient
intéresser les sociétés SAFRAN, ALSTOM (ferroviaire et distribution) mais également l’IEED
SuperGrid.
Bibliographie sur le sujet de thèse
[1] Projet de fin d’études de Cécile OECHSNER de CONINCK “Les polycyanurates : encapsulants
potentiels de modules de puissance“. Encadrant : M. Sébastien Pruvost ; McF à l’INSA. INSA de Lyon
2012.
Demande de cofinancement Labex IDEX : non (rayer mention inutile)