En électronique de puissance, un des axes de recherche principaux, concerne le développement de modules capables de fonctionner à haute température.
Un état de l'art sur les modules de puissance permet d'en analyser les divers constituants traditionnellement utilisés ainsi que leurs limites à haute température.
Après avoir énuméré divers matériaux et structures de modules capables de remplacer les matériaux défaillants à haute température, nous nous sommes intéressés aux verrous technologiques que constituent l'encapsulation et la passivation du module de puissance. En effet le gel silicone et la résine époxy ainsi que d'autres matériaux polymères habituellement utilisés ne peuvent plus satisfaire les nouvelles exigences en température fixée dans notre étude à 350°C sans pertes importantes de leurs propriétés diélectriques.
C'est pourquoi l'isolation gazeuse a été envisagée et quelques résultats encourageants ont poussé vers cette solution.
L'objectif de cette thèse est donc l'étude du seuil d'apparition des décharges dans ces isolants gazeux en vue de leur utilisation dans des modules de puissance pour une température de jonction pouvant atteindre les 350°C voire 400°C.
Deux gaz ont été sélectionnés pour leur propriété diélectrique et leur GWP faible. Il s'agit des gaz fluorocarbonés : octafluoropropane (C3F8) et octafluorocyclobutane (c-C4F8). Afin de comparer ces gaz, l'azote (N2) a été choisi comme référence.
Pour simuler les conditions d'un module de puissance dont la température de jonction augmente, une céramique image d'un module est déposée dans l'espace inter-électrodes et puis est échauffée localement pour simuler l'échauffement de la puce.
Avant d'étudier le gaz, une étude sur les céramiques les plus utilisées (Al2O3, AlN, Si3N4) à haute température est réalisée. Cette étude montre un changement du mécanisme de conduction de l'alumine et de l'AlN passant d'un régime capacitif à un régime résistif et modifiant au passage les propriétés de surface en permettant l'écoulement plus facile des charges dans le volume du matériau. Le Si3N4 quant à lui reste toujours capacitif et conserve des charges en surface même à haute température.
L'échauffement local des gaz a permis de mettre en évidence une diminution du seuil d'apparition des décharges avec la température et ce quel que soit le gaz étudié : Cette diminution est liée à la diminution de la densité à proximité de la pointe.
Des études sur l'utilisation d'une autre céramique a quant à elle permis de mettre en évidence que le comportement résistif ou semi-capacitif en surface de la céramique n'a aucun impact sur le seuil d'apparition des décharges mais que, en revanche, ce comportement peut être visualisé sur les signatures PRPD.
La modification de la distance inter-électrodes a permis de montrer une atténuation de la chute du seuil d'apparition des décharges avec la température pour de faibles distances.
Afin de comparer les valeurs obtenues en chauffage local, la même expérience a été réalisée en uniformisant la température du gaz environnant et a montré, dans les conditions de l'expérience, un seuil augmentant légèrement.
De ces travaux sont dégagées des perspectives et pistes à suivre dans le cadre d'études ultérieures.
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In power electronics, one of the principal axes of research concerns the developpement of power modules which can operate in high temperature.
A state of the art on power modules allow to analyse the components traditionally used as well as their limits in high temperature.
After having enumerated, some materials and structures being able to substitute materials that cannot operate in high temperature, we have focused on technological barrier which are the encapsulation and passivation of the power module. Indeed, the silicone gel and epoxy resin as well as the others polymer materials usually used can no longer satisfy the new requirements intemperature fixed in our study to 350°C without the significant losses of their dielectrcial properties
That is why the gas insulation was considered and some encouraging results had turned our attention towards this solution.
The aim of this thesis is the study of discharge inception voltage with temperature to use them in power module insulation with a junctio temperature near 350-400°C.
Two gases have been selected for their dielectric properties and their poor GWP : Fluorocarbon Gaz like Octafluorocarbon (C3F8) and octafluorocyclobutan (c-C4F8).
To compare them Nitrogen have been chosen as reference..
To simulate power module conditions were the junction temperature increase, a ceramic have been chosen to represent the module and have been heated locally to simulate self-heating of the die.
Before stuying gas, a study on high temperature ceramic behaviour on three cermaics (Al2O3, AlN, Si3N4) have been realised.
This study shows a change of the mechanism of conduction of the alumina and the AlN from a capacitif behaviour to a resistive ones and modifying by the same the surface properties by allowing a flow of charges into the volume of the material.
In an opposite way Si3N4 always stay capacitif and charge can stay on surface even at high temperature.
The local heating of gases allowed to highlight a decrease of the discharge inception voltage with the temperature and this whatever the gas under study : this decrease is due to the decrease of the gas density near the needle.
Studies on another ceramic highlight that the resistive or semi-capacitive behaviour dont have any impact on the dischareg inception threshold but can be detected or visualized on PRPD pattern.
The modification of the gap distance allowed to show that the decrease of the Dischareg Inception threshold with the temperature is lesser with the diminution of gap distance.
To compare values obtained in local heating, the same experiment was realized by uniforming the temperature of the surrounding gas (put into an oven) and showed, in experimental conditions an slighty increasing discharge inception threshold.
These works released some perspectives to be followed within later studies.
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