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Matériaux composites isolants auto-structurés fonctionnalisés formés sous champ électrique pour la gradation des contraintes des modules électroniques intégrés en 3D – FASTER-3D

Fonctionnalisation sur mesure d’isolants composites pour la gestion des contraintes dans les systèmes de conversion électrique

Quand des polymères composites structurés par des particules inorganiques de façon gradée ou anisotrope permettent de relaxer les fortes contraintes de champ électrique et thermique à l’origine de la perte de fiabilité des systèmes de conversion électrique

Isolants composites à gradient de conduction nonlinéaire pour la répartition de champ électrique et anisotrope de propriétés de conduction thermique pour le management de la chaleur

Le projet FASTER-3D propose une approche en rupture pour résoudre les problèmes de fiabilité des matériaux gels d’encapsulation dans les modules électroniques 3D en les remplaçant par des composites à base polymère, fonctionnalisés ayant des propriétés diélectriques et thermiques avancées. Les matériaux multifonctionnels proposés permettront une réduction importante des contraintes physiques dans les modules intégrés impliquant les nouveaux composants de puissance (SiC, GaN) grâce à leur gradation adaptée. Une réduction efficace de toutes les contraintes avec les matériaux proposés devrait avoir un impact majeur sur les performances globales et la fiabilité des prochains modules de puissance 3D. Par conséquent, ce projet soutient fortement le développement de systèmes électroniques de puissance plus efficaces pour aider à économiser l'énergie électrique durant sa conversion et sa distribution.

Les composites à gradient de conductivité électrique ou à anisotropie de conductivité thermique sont composés d’une matrice époxy chargée en particules nonlinéaires (carbure de silicium, SiC) ou à conductivité thermique élevée (nitrure de bore, BN), respectivement. L’action d’un champ électrique DC (électrophorèse) sur la résine initialement liquide pour sa mise en forme et chargée en particules de SiC engendre leur accumulation vers l’électrode de plus fort potentiel, formant ainsi une couche fortement chargée, qui confère à cette région une conduction nonlinéaire très élevée qui augmente avec le champ électrique. L’action d’un champ électrique AC (diélectrophorèse) au contraire engendre la formation de chaînes de particules de BN dans le sens du champ appliqué augmentant ainsi la conduction thermique dans cette direction favorisant l’extraction de la chaleur. Ainsi, l’application de ces principes physiques issus de l’électrocinétique permet de localement, et uniquement là où cela est nécessaire dans un système de conversion à isoler, de fonctionnaliser de façon adaptée les propriétés des polymères d’isolation afin de les rendre plus performants.

Les matériaux composites époxy-SiC a` gradient de conductivité électrique obtenus présentent une accumulation de particules SiC bien contrôlée autour de la métallisation haute tension en fonction des paramètres du procédé d’électrophorèse (variation de la tension ou du temps de dépôt). Un modèle électrique comportemental a été proposé sur la base de composites homogènes et vérifié sur les composites à gradient de conduction décrivant quantitativement les caractéristiques de conduction fonction du champ pour différentes concentrations en particules SiC. Par ailleurs, des composites époxy-BN anisotropes réalisés par diélectrophorèse ont montré une amélioration significative de la conductivité thermique avec des augmentation jusqu’à 65% par rapport à un composite homogène non modifié.

Parmi les perspectives à ce travail, nous pouvons citer l’adaptation et l’optimisation de ces deux procédés novateurs et des matériaux composites développés à des dispositifs représentatifs des systèmes de conversion de puissance (type module de puissance) afin de vérifier les performances d’isolation électrique ou de mangement thermique. Par la suite, l’intégration de ces solutions à des systèmes intégrant des composants de puissance avec la vérification de leur impact sur la fiabilité de l’ensemble des dispositifs seront étudiées.

- A. Can-Ortiz, L. Laudebat, Z. Valdez-Nava, S. Diaham, Nonlinear Electrical Conduction in Polymer Composites for Field Grading in High-Voltage Applications: A Review, Polymers, Vol. 13, No. 9, 1370, 2021.
- A. Can-Ortiz, Z. Valdez Nava, L. Laudebat and S. Diaham, Epoxy-Based ZnO and SiC Composites with Non-Linear Electrical Properties for Field Grading Applications, IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), 12-15 December, Vancouver, Canada, pp. 411-413, 2021.
- T. T. Le, Z. Valdez-Nava and S. Diaham, Dielectrophoretic Chain Assembly of BaTiO3 Particles in Silicone Gel Composites and Effects on Dielectric Properties, 4th IEEE International Conference on Dielectrics (ICD), 3-7 July, Palermo, Italy, pp. 289-292, 2022.
- S. Diaham, Electric Field Grading in High-Voltage Integrated Electronic Systems: State-of-the-Art and Future Prospects, Invited Lecture at the International Workshop on Integrated Power Packaging (IWIPP), Grenoble, France, 24-26 August 2022.
- S. Diaham, Z. Valdez-Nava, L. Laudebat, M.-L. Locatelli, Advanced Functionalization of (Nano)Composite Insulating Polymers for Power Conversion Systems, Présentation invitée à la Journée Ciblée sur une Thématique Primes (JCT1): Matériaux Innovants pour la Conversion d’Energie Electrique, Tarbes, France, 24 Novembre 2020.

Le projet FASTER-3D propose une approche en rupture pour résoudre les problèmes de fiabilité des matériaux classiques du packaging (encapsulation, substrat, interconnexion, interface thermique) dans les modules électroniques en 3D en les remplaçant tous par des composites à base polymère, fonctionnalisés ayant des propriétés diélectriques, thermiques, conduction électrique et thermomécaniques avancées. Les matériaux multifonctionnels proposés permettront une réduction importante des contraintes physiques dans les modules intégrés impliquant de nouveaux composants de puissance à grand gap grâce à leur relaxation adaptée. Une réduction efficace de toutes les contraintes avec les matériaux proposés devrait avoir un impact majeur sur les performances globales et la fiabilité des prochains modules de puissance 3D. Par conséquent, ce projet soutient fortement le développement de systèmes électroniques de puissance plus efficaces pour aider à économiser l'énergie électrique durant sa conversion et sa distribution.

Coordination du projet

Sombel DIAHAM (Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LAPLACE Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie

Aide de l'ANR 311 198 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2018 - 48 Mois

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