L`équipe matériaux magnétiques
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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, semiconducteur Directeurs de thèse Dr. Hervé Morel [email protected] Dr. Jean-Louis Augé [email protected] Dr. Sébastien Pruvost [email protected] 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 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 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)
