Développement d'un substrat céramique fonctionnalisé pour une application en électronique de puissance.

Development of a functionalized ceramic substrate for power electronics applications.

• Auteur / Autrice : Romain Raisson
• Direction : Paul-Etienne Vidal, Sophie Guillemet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 24/11/2023
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGP - Laboratoire Génie de Production - Laboratoire Génie de Production
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : e-ACE2 - Efficacité des Systèmes de Conversion de l'Énergie Électrique
• Jury : Président / Présidente : Christian Courtois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paul-Etienne Vidal, Jacques Guillaume Noudem, Sophie Guillemet-Fritsch, Sombel Diaham, Veronika Gavrilenko, Mounira Bouarroudj-Berkani, Pascal Dufour
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christian Courtois, Jacques Guillaume Noudem

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique de puissance

Bruit de substrat

Mots clés libres

Condensateur

Substrat

Frittage

Sps

Céramique-Métal

Capacitor

Substrat

Sintering

Sps

Ceramic-Metal

Résumé

Cette thèse est axée sur la miniaturisation des dispositifs d'électronique de puissance et l'élaboration de composants multifonctionnels. L'objectif principal est de développer des matériaux avec des propriétés électriques spécifiques pour réduire la taille des systèmes, en mettant l'accent sur les modules de puissance. Les travaux se concentrent sur la réalisation d'un substrat fonctionnalisé avec une fonction de condensateur interne au boitier. L'étude démarre par la définition du cahier des charges du substrat fonctionnalisé, en envisageant une architecture capable d'intégrer un condensateur de découplage. Le choix se porte sur un condensateur monocouche à base de titanate de baryum fritté par SPS en raison de sa permittivité élevée. L'alumine est sélectionnée comme matériau de substrat, pour les zones nécessitant un matériau aux bonnes propriétés de tenue au champ de rupture, mécaniques et thermiques. Le nickel est choisi comme matériau métallique pour la métallisation.La thèse explore les différentes formes de cofrittage, notamment les composites cermets, les multicouches et les matériaux à gradient de fonction (FGM) pour les couples de matériaux BaTiO3/Ni et Al2O3/Ni. La maitrise des différentes étapes de la synthèse de la poudre nanométrique de BaTiO3 est démontrée, et les paramètres de frittage sont optimisés pour obtenir des céramiques de haute densité avec des propriétés diélectriques contrôlées. Les différentes géométries pour le cofrittage céramique/céramique sont examinées, en prenant en compte les avantages et les défis du cofrittage selon l'application de la pression. L'étude pointe une géométrie en T qui apparait comme le choix à privilégier en raison des interconnexions électriques nécessaires entre les constituants du boitier. Les essais de cofrittage des multicouches Al2O3/Ni/BaTiO3 mettent en évidence des contraintes aux interfaces. L'utilisation d'un gradient de composition à base de cermet permet l'obtention du multicouche. Parallèlement, deux sous-ensembles BaTiO3/Ni et Al2O3/Ni sont réalisés afin de réaliser les caractérisations diélectriques.Un FGM BaTiO3/Ni a été développé avec l'ajout d'une couche composite intermédiaire. Aucune diffusion ni formation de phase n'est visible pour ce système. L'usage d'un matériau sacrificiel au cours du frittage a démontré son intérêt pour obtenir un frittage reproductible, limiter le fluage du nickel et le gradient en température au sein du moule de frittage. Un FGM de diamètre 15 mm et de 2 mm d'épaisseur présente des permittivités proches de 105 avec des pertes inférieures à 10%, et ce de manière reproductible. La capacité associée est supérieure à 100 nF. Ces paramètres correspondent aux valeurs ciblées en début de projet. Il est possible d'obtenir un FGM Ni/Al2O3/Ni mais, pour limiter l'épaisseur et améliorer la capacité de dissipation thermique du système, une approche multicouche est plus adaptée. Un sandwich Ni/Al2O3/Ni a été développé en utilisant des feuilles de nickel et une poudre d'alumine sacrificielle. Cette approche a mis en évidence la formation d'une zone d'accroche entre les deux matériaux. Le frittage de ce dispositif est reproductible et les propriétés diélectriques des systèmes sont proches de l'alumine pure. L'assemblage des sous-systèmes est réalisé par brasage et bonding, et un prototype « condensateur-substrat » est obtenu avec des propriétés mécaniques, à l'arrachage et au cisaillement, satisfaisantes. En conclusion, la thèse démontre la possibilité d'aller de la synthèse des poudres, jusqu'au prototype à intégrer dans un module de puissance, tout en optimisant chacune des étapes pour garantir autant le fort degré d'intégration des solutions que les propriétés désirées

This thesis focuses on the miniaturization of power electronics devices and the development of multifunctional components. The main objective is to develop materials with specific electrical properties to reduce system size, with particular emphasis on power modules. The work focuses on the production of a functionalized substrate with a capacitor function inside the package. The study begins by defining the specifications for the functionalized substrate, and considering an architecture capable of integrating a decoupling capacitor. A single-layer capacitor based on SPS-sintered barium titanate was chosen for its high permittivity. Alumina was chosen as the substrate material, for areas requiring a material with good fracture field, mechanical and thermal properties. Nickel is chosen as the metallic material for metallization.The thesis explores different forms of co-sintering, including cermet composites, multi-layers and function gradient materials (FGM) for the BaTiO3/Ni and Al2O3/Ni material couples. Mastery of the various stages in the synthesis of nanometric BaTiO3 powder is demonstrated, and sintering parameters are optimized to obtain high-density ceramics with controlled dielectric properties. Different geometries for ceramic/ceramic co-sintering are examined, taking into account the advantages and challenges of co-sintering depending on the application of pressure. The study points to a T-shaped geometry as the preferred choice, given the electrical interconnections required between the housing components. Co-sintering tests on Al2O3/Ni/BaTiO3 multilayers revealed stresses at the interfaces. A cermet-based composition gradient was used to obtain the multilayer. At the same time, two BaTiO3/Ni and Al2O3/Ni sub-assemblies were produced for dielectric characterization.A BaTiO3/Ni FGM was developed with the addition of an intermediate composite layer. No diffusion or phase formation is visible in this system. The use of a sacrificial material during the sintering process has demonstrated its value in achieving reproducible sintering, limiting nickel creep and the temperature gradient within the sintering mould. An FGM with a diameter of 15 mm and a thickness of 2 mm reproducibly exhibits permittivities close to 105 with losses of less than 10%. The associated capacitance is greater than 100 nF. These parameters correspond to the values targeted at the start of the project. It is possible to obtain a Ni/Al2O3/Ni FGM, but to limit thickness and improve the system's heat dissipation capacity, a multilayer approach is more appropriate. A Ni/Al2O3/Ni sandwich was developed using nickel foil and sacrificial alumina powder. This approach demonstrated the formation of a bonding zone between the two materials. The sintering of this device is reproducible, and the dielectric properties of the systems are close to those of pure alumina. The sub-systems were assembled by brazing and bonding, and a ''capacitor-substrate'' prototype was obtained with satisfactory mechanical properties, both in terms of pulling and shearing. In conclusion, the thesis demonstrates that it is possible to go from powder synthesis to the prototype to be integrated into a power module, while optimizing each stage to guarantee both the high degree of integration of the solutions and the desired properties.