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Thème 2 : Environnement du semi-conducteur haute tension et/ou haute température
4 avril 2009
Les tendances pour satisfaire les besoins en électronique de puissance, que sont l’intégration, la montée en tension, et/ou la montée en température, des convertisseurs d’énergie électrique, entraînent des contraintes plus sévères en termes de champ électrique, tenue en température ou tenue en tension, sur les matériaux isolants et diélectriques présents dans les composants de ces systèmes.
Si au cœur des composants actifs, les semi-conducteurs à grand gap (tels SiC, GaN, diamant) semblent pouvoir permettre d’effectuer un saut technologique significatif dans les directions pré-citées, des progrès importants doivent être accomplis du coté des matériaux de l’environnement du semi-conducteur, en particulier des matériaux isolants, afin de rendre effectifs les accroissements de performance attendus.
Notre objectif est une meilleure connaissance des propriétés de ces matériaux isolants, sous conditions d’usage représentatives des nouvelles applications. Ainsi, la nature du matériau, le procédé de mise en forme, la forme d’onde et l’amplitude de la tension appliquée, les conditions ambiantes, en particulier la température (de -55 °C à 400 °C) sont des paramètres pris en compte.
Des études fondamentales (identification des mécanismes physiques à l’origine de la conductivité électrique et de la rupture diélectrique) et des études appliquées (aide au dimensionnement) sont menées conjointement.
Sous-thèmes de recherche :
➢ le substrat isolant, support du composant ou du module de puissance :
Les études portent sur :
* la caractérisation de matériaux céramiques à forte rigidité diélectrique (centaines de kV/cm), haute tenue en température (> 200°C) et forte conductivité thermique,
* l’étude de l’impact des techniques de fabrication (par exemple le frittage SPS – Spark Plasma Sintering, …) sur les propriétés diélectriques des substrats,
* l’étude de nouveaux types de substrats métallisés « tout céramiques » en vue de supprimer l’assemblage céramique/métal, cause majeure de défaillance en cyclage thermique dans les modules de puissance.
➢ la passivation et l’encapsulation de composants ou module de puissance :
Dans le but de protéger le semi-conducteur ou son assemblage sur un substrat isolant métallisé, en particulier contre la rupture diélectrique en surface, trois axes de recherche sont considérés :
* les matériaux isolants de passivation à très forte rigidité diélectrique (> 1 MV/cm) et haute tenue en température (> 200°C) (polyimides, verres, …), afin de supporter les contraintes imposées notamment par les composants en carbure de silicium,
* les matériaux diélectriques et structures de gradation du champ électrique (matériaux semi-isolants, ou à forte permittivité diélectrique, …), afin de réduire les contraintes en surface des substrats métallisés,
* les matériaux d’encapsulation (gels, …), afin d’identifier les causes de rupture diélectriques possibles, et de déterminer les procédés de mise en oeuvre permettant d’obtenir des performances diélectriques optimales (rigidité diélectrique continue et MLI maximum, augmentation du seuil d’apparition des DP,…).
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