Capteurs innovants intégrés et logiciels au cœur d’un dispositif d’électronique de puissance – CAPTIF

Les nanocapteurs sont issus du dépôt de nanoparticules d’or de 14 nm, fonctionnalisées avec des ligands tri-phosphine par Convective Self-Assembly associés à des électrodes composées d’une couche conductrice d’or. Un dépôt de 50 nm d’alumine supprime la dérive des capteurs. Un spin-coating de polyimide liquide permet leur intégration sur un module de puissance préalablement défini comme prototype cible. Les capteurs électromagnétiques, de type antenne boucle champ proche ont été conçus, caractérisé tout en tenant compte de leur mode de couplage. L’analyse des données issues de ces capteurs intégrés à un démonstrateur de puissance ont été effectuées. Les capteurs logiciels ont été réalisés par des observateurs de fonctionnelle linéaire d’ordre minimal et à entrées inconnues, pour des systèmes complexes de grande taille. Cette méthode permet de s’affranchir de la méconnaissance de certaines entrées en les traitant comme des perturbations non mesurées. L’indicateur de vieillissement retenu est la densité d’énergie de déformation. Les corrélations mesures-indicateurs ont permis de formaliser la méthode d’analyse et son lien avec des données mesurées. Son actualisation est faite par la mesure directe ou indirecte de la température en point de l’assemblage.

Ce projet a démontré l’intérêt d’instrumenter les modules de puissance en vue de la prédiction de leur comportement ou de leur durée de vie. Les démonstrateurs réalisés attestent de la possible intégration d’un ensemble de capteurs multi physiques, intégrés et logiciels, à un procédé d’assemblage préindustriel mettant en œuvre des technologies usuelles ou novatrices. Enfin, le nécessaire lien entre l’actualisation d’un indicateur de vieillissement selon les conditions opérationnelles du module, et les capteurs physiques et logiciels a également été révélé.
Plus précisément les résultats marquants du projet sont :
1-Des jauges de contrainte et des nanocapteurs de température ont été fabriqués et caractérisés. Cependant il a été relevé : une forte sensibilité des jauges de contrainte; des températures de fonctionnement maximales limitées à +50°C et une dérive de leur résistance électrique impactant leurs performances. Par conséquent, aPSI3D a orienté les démonstrateurs vers des modules de technologies plus conventionnelles afin d'en réaliser l'intégration.
2-Les capteurs électromagnétiques à intégrer, de type sondes magnétiques ont été développés, modélisés et caractérisés. Deux objectifs ont été atteints, la calibration de l’antenne et l’identification de ses performances en termes de bande fréquentielle et de résolution de mesure. Suite à l’instrumentation d’un convertisseur élémentaire, l’acquisition en temps réel du champ magnétique sur la bande fréquentielle jusqu’à 80 ?????? a été effectuée.
3- Il a été démontré pour les capteurs logiciels, que l’observateur à fonctionnelle linéaire estimait asymptotiquement l’évolution de la température d’un point désiré sur un cas d’étude expérimental.
4-L’indicateur de vieillissement retenu a été la densité d’énergie de déformation qui s’accumule dans le joint viscoplastique d’assemblage. Il a été également établi que la température fournie par les capteurs était plus efficiente sur la DED que les mesures de déformations.

Comme acquis du projet, aPSI3D a étendu cette notion de capteur au cas de toute autre fonctionnalité ajoutée aux modules de puissance. En particulier, la stratégie d’intégration de capteurs de température et de capacités de découplage a été revue. Ainsi, dans le cadre du programme Nano2022, aPSI3D s’investit-elle pour intégrer des capacités fines, adaptées aux procédés et aux dimensions contraintes.
Les perspectives d’amélioration des capteurs développés par Nanolike concernent principalement l’amélioration des propriétés des nanocapteurs, : augmenter la limite haute de température;
Supprimer la dérive de la résistance électrique; Diminuer la dispersion de la résistance électrique.
Les deux perspectives principales du travail mené sur les capteurs logiciels sont liés d’une part à des méthodes de caractérisations et d’autre part à la nécessaire confrontation de la théorie des observateurs de fonctionnelle linéaire à entrées inconnues au cas d’usage et d’implémentation pratique. Relativement au suivi de vieillissement de l’assemblage, la méthodologie proposée pour répondre aux objectifs est basée sur l’énergie dissipée dans la déformation plastique lors du vieillissement en fatigue. Cette méthodologie est intrinsèquement adaptative aux différentes conditions d’utilisation du module de puissance. Néanmoins, les paramètres thermophysiques décrivant le comportement viscoplastique du matériau témoin ne sont pas totalement pertinents, car ils ne tiennent pas compte de l’endommagement au cours du temps. Les prospectives semblent ainsi naturelles : la prise en compte de l’endommagement des matériaux dans les modèles et l’approche adaptative embarquée, permettant de réaliser in situ une gestion de la fiabilité du système.
Les perspectives liées à l’intégration de capteurs électromagnétiques sont de les utiliser en vue d’obtenir une information en temps réel de l’occurrence d’un mécanisme de défaillance.

Au cours du projet 13 actes de valorisation ont été recensés. 3 sont multipartenaires et ont été proposés à des conférences ou workshop internationaux (2 : IMAPS 2016 From Nano to Macro Power electronics and Packaging et More Electric Aircraft - MEA 2017 ) et nationaux (1 : Journées ISP3D GDR SEEDS) pour un auditoire principalement industriel. Les 10 publications monopartenaires ont été réalisées dans le cadre de manifestations à auditoire essentiellement académique et international (2 revues : IEEE Transactions on Power Electronics, IEEE Transactions on Automatic Control. et 5 conférences : PEMC 2018, EPE2018, EPE’17 ECCE, EMC Europe 2017, EuroSimE2017) et national (2 conférences : EF-EPF-MGE 2016, JCGE 2017 et 1 article de vulgarisation : Technique de l'Ingénieur).

L'émergence conjointe de matériaux grand gap ( SiC , GaN , C ) et les techniques d'intégration hybride de nouvelle génération améliorent considérablement les performances des modules électroniques de puissance. Ces modules doivent fonctionner en environnement sévère sous fortes contraintes : forte densité de puissance à haute température, commutations à fréquences élevées, etc. ., avec comme objectifs constants un rendement électrique optimisé et une amélioration de la fiabilité du système. Les défis pour la mise au point de ces nouveaux modules portent sur le développement, l'intégration et le traitement de plusieurs types de capteurs. Dans ce projet, les industriels et les partenaires universitaires proposent de mutualiser leurs compétences et expériences dans les domaines technologiques et scientifiques suivants : capteurs multi- physiques, traitement du signal, l'intégration et la fiabilité en électronique de puissance. Des jauges de contrainte et des capteurs de température, tous deux à base de nanoparticules, ainsi que des capteurs électromagnétiques seront validés puis intégrés dans un dispositif d’électronique de puissance. L'intérêt principal de ces capteurs est leur faible consommation, leur miniaturisation et leur possibilité d'intégration ainsi que leur précision de mesure. Un modèle multi-physique spécifique sera développé afin de spécifier les emplacements d'intérêts au sein du dispositif de puissance. Les capteurs électromagnétiques seront adaptés d'études précédentes et optimisés pour les dispositifs spécifiés. Ils permettront d’améliorer la connaissance en temps réel de la densité de courant, ainsi que des fréquences des signaux. Pour tous ces capteurs, la mise en forme des données sera un point clé immédiatement valorisable. Enfin, des techniques avancées de traitement de données - estimation et filtrage du signal - seront adaptées à de nombreuses mesures. Un processus d’intégration des capteurs en salle blanche sera mis en place pour garantir une phase de prototype proche d’une pré- industrialisation. Les partenaires industriels seront les garants d’une intégration des résultats pour une finalité produits.
Le projet est construit autour de 5 partenaires - 2 laboratoires de recherche et 3 entreprises. Les laboratoires développeront des capteurs électromagnétiques, définiront les techniques de traitement de données et la modélisation multi-physique. Ils effectueront également des tests préliminaires de fiabilité pour les capteurs et les prototypes fonctionnalisés associés. Les partenaires industriels fourniront des capteurs à base de nanoparticules, adapteront le processus d’intégration en salle blanche et garantiront le niveau de maturité technologique des ensembles intégrés. 6 lots de travail sont définis et des tâches spécifiques sont programmées au cours des 42 mois du programme. Pendant la première phase, les spécifications globales seront établies. L’ensemble des capteurs seront étudiés et développés. Ils seront finalement intégrés au sein d’un démonstrateur de faisabilité. La modélisation multi-physique ainsi que des tests de fiabilité préliminaires seront conduits en parallèle de ces développements. Ceci fournira des informations et des recommandations pour le prototype final. Dans la deuxième étape, des techniques de traitement de données seront étudiées et mises au point pour le filtrage des informations ainsi que l'estimation de paramètres et variables. Dans la dernière étape, un ensemble de capteurs sera adapté et dédié à un dispositif d’électronique de puissance représentatif. Pour conclure l'objectif principal est de construire, pour la première fois, un ensemble intégré multi-échelle de capteurs. L'analyse des données multi- physique donnera des informations pertinentes pour la modélisation, le contrôle et les règles de fiabilité pour de nouveaux dispositifs de puissance optimisés.