Céramique gradateur de contraintes électriques pour la haute tension – FILCERA

Le projet est en phase avec l’axe thématique « Matériaux, Chimie et Energie » de l’appel à projet ASTRID. Il se situe en amont de l’échelle des niveaux de maturité. D’une durée souhaitée de 30 mois, son objectif est d’étudier la faisabilité des nouveaux matériaux et structures, pour confirmer la validité du concept proposé, avec notamment pour but la réalisation de maquettes de laboratoire mettant en œuvre les nouveaux substrats métallisés et démontrant un gain sur la tension de rupture d’au moins 30 %.

Le consortium réuni permet de solliciter en synergie les disciplines de la chimie et de la physique des matériaux, de la technologie, et de la conception d’objets innovants, nécessaire au succès du programme scientifique. Il met à profit les compétences existantes et très complémentaires des laboratoires LAPLACE et CIRIMAT, respectivement dans le domaine de la caractérisation et de la mise en œuvre de matériaux et systèmes d’isolation haute tension, et dans le domaine de la synthèse et des procédés de mise en forme et de frittage de matériaux céramiques. Depuis de nombreuses années, et à plusieurs reprises au sein de projets de recherche communs, les deux laboratoires consacrent une part de leurs travaux à des problématiques de l’électronique de puissance. Au-delà des laboratoires, leur contexte local est particulièrement favorable à la réalisation du projet, permettant de s’appuyer sur plusieurs structures mutualisant des compétences et moyens complémentaires (au sein des plateformes PN2F, 3DPhi, PRIMES, et la Fédération de Recherche FERMaT) ; il pourra même, à plus long terme, être propice au transfert vers l’entreprise, le cas échéant.

Projet en cours

Projet en cours

Projet en cours

Que ce soit pour les applications civiles ou militaires, l’énergie électrique est un facteur hautement stratégique, pour leurs performances et pour leur sécurité. Aujourd’hui, des perspectives de gains très significatifs en termes d’efficacité énergétique, compacité, puissance, robustesse, des systèmes électroniques de puissance devant fonctionner sous haute tension ou très haute tension (plusieurs kV à quelques dizaines de kV), ainsi que dans des environnements sévères, sont en grande partie liées à l’émergence de nouveaux modules de puissance à base de semi-conducteurs à « grand gap », tel que le carbure de silicium (SiC).

Cependant, différents défis à relever apparaissent pour permettre les augmentations significatives des calibres en densité de puissance et en tension que pourront supporter ces nouveaux modules de puissance, en particulier au niveau de leur isolation électrique interne. Le projet s’adresse plus précisément au substrat céramique isolant métallisé, support mécanique des puces semi-conductrices et des interconnexions métalliques au sein du module de puissance, assurant aussi des fonctions d’isolation électrique et de conduction thermique. Le renforcement du champ électrique aux points triples entre la céramique, les bords de pistes métalliques et le milieu isolant environnant, constitue une cause de défaillance limitant les performances des systèmes d’isolation actuels, et représente un verrou à la montée en tension des systèmes futurs.

Le projet propose une solution originale visant à contribuer à lever ce verrou, reposant sur un concept novateur de « substrat gradateur de potentiel », par une modification locale des propriétés du matériau céramique au niveau du point triple. Le matériau retenu dans cette étude est le nitrure d’aluminium (AlN). La stratégie « matériaux » consistera dans un premier temps à doper la poudre d’AlN avec un élément permettant de modifier localement les propriétés électriques et thermiques du matériau utilisé comme gradient, de proposer une géométrie d’objet adaptée et de mettre en forme et cofritter l’ensemble AlN/AlNmodifié à l’aide d’une méthode de frittage innovante, le Spark Plasma Sintering (SPS). Nous envisageons également d’explorer de nouvelles voies technologiques, en particulier la fabrication additive.

Le projet est en phase avec l’axe thématique « Matériaux, Chimie et Energie » de l’appel à projet ASTRID. Il se situe en amont de l’échelle des niveaux de maturité. D’une durée souhaitée de 30 mois, son objectif est d’étudier la faisabilité des matériaux et la validité du concept proposé, avec notamment pour but la réalisation de maquettes de laboratoire mettant en œuvre les nouveaux substrats en nitrure d’aluminium (AlN) « gradateurs de potentiel » métallisés, et démontrant un gain sur la tension de rupture d’au moins 30 %.

Le consortium réuni permet de solliciter en synergie les disciplines de la chimie et de la physique des matériaux, de la technologie, et de la conception d’objets innovants, nécessaire au succès du programme scientifique. Il met à profit les compétences existantes et très complémentaires des laboratoires LAPLACE et CIRIMAT, respectivement dans le domaine de la caractérisation et de la mise en œuvre de matériaux et systèmes d’isolation haute tension, et dans le domaine de la synthèse et des procédés de mise en forme et de frittage de matériaux céramiques. Depuis de nombreuses années, et à plusieurs reprises au sein de projets de recherche communs, les deux laboratoires consacrent une part de leurs travaux à des problématiques de l’électronique de puissance. Au-delà des laboratoires, leur contexte local est particulièrement favorable à la réalisation du projet, permettant de s’appuyer sur plusieurs structures mutualisant des compétences et moyens complémentaires (au sein des plateformes PN2F, 3DPhi, PRIMES, et la Fédération de Recherche FERMaT) ; il pourra même, à plus long terme, être propice au transfert vers l’entreprise, le cas échéant.