L’électronique de puissance

L’électronique de puissance

Généralités

Le nombre grandissant de technologies embarquant des composants électriques et électroniques durant les dernières années, nécessite une gestion du courant électrique optimale. Dans cette optique, les modules d’électronique de puissance, convertisseurs d’énergie électrique, qui viennent se placer entre une source électrique et un équipement, nécessitent d’être de plus en plus efficaces, de moins en moins coûteux et de plus en plus résistants aux conditions difficiles [1]. Le rôle d’un module d’électronique de puissance est de gérer la puissance électrique de la source vers les différents composants électriques. De plus l’évolution des réseaux énergétiques oblige à une meilleure gestion des niveaux de tension et des flux électriques [2]. La nécessité de convertir l’énergie électrique est d’autant plus importante que beaucoup de systèmes mécaniques sont progressivement remplacés par des systèmes électriques, apportant plus de fiabilités. Dans des secteurs applicatifs tels que le spatial, l’aéronautique, l’automobile et les moyens de transport en général, les conditions auxquelles sont soumis les composants peuvent être qualifiées d’extrêmes. Un des paramètres physique affectant le plus ce genre de dispositif est la température [3]. Les origines des élévations en température peuvent provenir soit du dispositif en lui-même, soit de l’environnement extérieur. Les importantes densités de courant traversant ces modules provoquent, par effet Joule, une augmentation importante de la température dans ces systèmes ; les origines de ces élévations seront discutées dans les paragraphes suivants. Cette chaleur générée par ce phénomène peut causer des dommages aux différentes parties du module. Pour minimiser l’effet Joule il convient alors d’utiliser des matériaux ayant une bonne conductivité thermique afin de réduire les résistances d’interface. Les composants doivent aussi être stables à des températures élevées si l’environnement extérieur ne permet pas de refroidir le dispositif.

Les besoins émergents

Comme énoncé précédemment, l’exposition des modules à de fortes températures peut provenir du dispositif lui-même, lors de son fonctionnement. Ce phénomène est d’autant plus important que le nombre de composants présents sur une même surface est élevé (i.e. densité). Par imagerie infrarouge , il est possible de voir que l’élévation de température lors du fonctionnement peut dépasser les 120°C simplement par effet Joule.

Une autre cause de l’élévation en température au sein d’un module, provient de l’environnement extérieur. Ce point dépend particulièrement du type de technologie dans laquelle est embarqué le module. La liste des applications utilisant des convertisseurs de puissance est importante. La modernisation de l’aviation et de l’automobile vers le « tout électrique » fait croître la demande en électronique de puissance. Pour ces deux applications, les conditions environnantes peuvent entraîner des augmentations de température allant de 150 à 225°C au niveau de la jonction puce/substrat [8].

Un bon exemple de ce développement du tout électrique est le projet des industriels de l’avion tout électrique ou More Electric Aircraft (MEA). Cette architecture idéale d’avion implique une utilisation de modules de puissance en nombre élevé. Seulement les forces de frottement, ou la proximité d’éléments dégageant de fortes chaleurs sont importantes sur un avion.

A ces températures, l’utilisation d’assemblages « ordinaires », composés de métallisations, de joints et de composants standards, n’est pas possible. Ces conditions contraignantes obligent à utiliser des composants « haute température». Le choix des matériaux des composants du module est une problématique très importante selon l’application visée. Les puces en Si classique ne peuvent dépasser les 250°C, voire 200°C pour des tensions au-dessus d’1kV, sans se détériorer. Ce problème est le même pour les alliages traditionnels utilisés comme brasures pour assembler les puces, substrats et semelles .

Packaging – Les problématiques

Pour atteindre les températures citées précédemment, tous les composants constituant les modules doivent être thermiquement stables [10]. Pour les substrats céramiques métallisés et les parties métalliques, la question de la stabilité thermique ne se pose pas. Seulement, les températures citées ne sont pas compatibles avec les brasures ordinaires à basse température de fusion. Ces brasures ont pour fonction d’assembler les différents éléments les uns aux autres et d’assurer le meilleur transfert thermique possible. Les matériaux encapsulant sont eux capables, dans le meilleur des cas, de supporter des températures légèrement supérieures à 250°C [11]. Pour assembler tous ces composants entre eux, des joints conducteurs sont utilisés. Ces joints doivent avoir de bonnes conductivités thermique et électrique, et surtout un coefficient d’expansion thermique proche des composants l’entourant. Ainsi un coefficient d’expansion thermique similaire pour la majorité des composants diminuera les contraintes aux interfaces ce qui entraînera une meilleure tenue mécanique du système ainsi qu’une meilleure durée de vie. Les substrats utilisés en électronique de puissance sont des céramiques, comme par exemple en nitrure d’aluminium, AlN, et donc isolantes électriquement. Pour assurer une conduction électrique entres les différents composants, il est nécessaire de métalliser les substrats. Plusieurs procédés existent pour métalliser un substrat céramique avec des couches de natures différentes . La voie la plus fréquente est de déposer une couche de cuivre, ou bien d’aluminium, par brasage avec un alliage AgCuTi à une température entre 850 et 900°C, c’est le procédé AMB pour Active Metal Brazing. Sur cette métallisation peut se rajouter une finition selon le type de joint métallique qui servira à assembler la puce au substrat. Une des technologies les plus abouties en terme de finition de substrat est la métallisation Ag/Ni/Ti, l’utilisation de ces couches permet d’obtenir des résistances mécaniques élevées [12]. L’optimisation par métallisation Ag/Ni/Ti sera brièvement discutée par la suite.

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Table des matières

Introduction
Chapitre I : Etude bibliographique
I.1. L’électronique de puissance
I.1.1. Généralités
I.1.2. Les besoins émergents
I.1.3. Packaging – Les problématiques
I.1.4. Les différents types de joints métalliques
I.1.5. Les pâtes de frittage « basse température »
I.1.5.1. Les pâtes de frittage d’argent commerciales
I.2. Les nanoparticules métalliques
I.2.1. Les pâtes à base de nanoparticules métalliques
I.2.1.1. Propriétés physiques des nanoparticules
I.2.1.2. Les nanoparticules d’argent
I.2.1.3. Les nanoparticules de cuivre
I.2.2. Synthèse des nanoparticules de cuivre
I.2.3. Comportement des nanoparticules de cuivre face à l’oxydation
I.2.4. Enrobage et protection des nanoparticules de cuivre
I.2.4.1. Enrobages organiques et polymères
I.2.4.2. Enrobage par la silice
I.2.4.3. Enrobage métallique : systèmes cœur-coquille
I.3. Formulation de pâtes à base de nanoparticules métalliques
I.4. Frittage
I.4.1. Le déliantage – L’évacuation des organiques
I.4.2. Le frittage
I.4.3. Le frittage dans le cas des nanoparticules métalliques
I.4.3.1. L’abaissement des températures de frittage à l’échelle nanométrique
I.4.3.2. Les lois de diffusion et de retrait
I.4.4. Le frittage sous contrainte
I.4.5. Le cas particulier de nanoparticules cœur-coquille Cu@Ag
I.5. La qualité finale du joint métallique
I.5.1. Tenue mécanique
I.5.2. Mesure de la densification – suivi du frittage
I.6. Conclusions sur l’état de l’art
Chapitre II : Synthèse et enrobage des nanoparticules de cuivre
II.1. Synthèse des nanoparticules de cuivre
II.1.1. Synthèse de nanoparticules de cuivre par réduction dans un milieu polyol
II.1.2. Contrôle du diamètre par variation des cinétiques de germination et de grossissement
II.2. Rôle du polymère polyvinylpyrrolidone
II.2.1. Lavage et ajustement de l’épaisseur de PVP
II.3. Enrobage métallique
II.3.1. Phénomène d’oxydo-réduction – Le déplacement galvanique
II.3.2. Ajustement de l’épaisseur de coquille – Post-traitements
II.3.3. Analyse des suspensions par spectroscopie UV-visible
II.4. Synthèse de nanoparticules sur une ligne pré-pilote
II.4.1. Nanoparticules de cuivre à moyenne échelle
II.4.2. Enrobage par l’Argent – contrôle des paramètres environnants
II.5. Conclusions
Chapitre III : Etude de l’oxydation des systèmes nanométriques à base de cuivre
III.1. Etude de l’oxydation par analyse thermogravimétrique
III.1.1. Comportement des nanoparticules Cu-PVP face à l’oxydation
III.1.1.1. Oxydation des nanoparticules en fonction de l’épaisseur de PVP
III.1.2. Comportement des nanoparticules cœur-coquille Cu@Ag face à l’oxydation
III.1.2.1. Effet de la coquille d’argent obtenue par déplacement galvanique (DG)
III.1.2.2. Effets des post-traitements chimiques sur la résistance à l’oxydation
III.1.2.3. Effets des post-traitements thermiques sur la résistance à l’oxydation
III.2. Conclusions
Chapitre IV : Formulation de pâtes de frittage à base de nanoparticules pour la sérigraphie
IV.1. Formulation de pâtes à partir de nanoparticules de Cu-PVP et de Cu@Ag
IV.1.1. Pâte nanoAg commerciale
IV.1.2. Formulation de pâtes par concentration
IV.1.2.1. Mélange et dispersion des nanoparticules dans la matrice
IV.1.3. Formulation à base de polyéthylène glycol
IV.2. Rhéologie des pâtes formulées
IV.3. Comportement des pâtes lors de l’élévation en température
IV.4. Conclusions
Conclusion