Les travaux de recherche présentés ont été réalisés au laboratoire Plasma et Conversion d’énergie (LAPLACE) de Toulouse sur les deux sites de l’Université Paul Sabatier et de l’École Nationale Supérieure d'Electrotechnique, d'Electronique,d'Informatique,d'Hydraulique et des Télécommunications.
Le but de cette thèse est de comprendre les mécanismes de rupture diélectrique des céramiques utilisées dans la conception des substrats.
Les origines de rupture diélectrique ont été identifiées et se classent en 3 types : 1) le claquage d’origine électronique correspondant à la destruction due à la collision d’électrons dans la structure de l’isolant, 2) le claquage d’origine thermique qui se traduit par un échauffement provoqué par le courant de conduction et 3) le claquage d’origine électromécanique expliquant l’incapacité du matériau à supporter des contraintes mécaniques induites par le champ électrique.
Très souvent ces mécanismes n’apparaissent pas de façon isolée, et la rupture va être une « compétition », où plusieurs mécanismes vont s’activer, jusqu’à l’emballement et la rupture. Il est donc souvent complexe de déterminer « le » phénomène à l’origine de la rupture.
L’objectif de mes recherches était d'apporter de nouvelles informations sur la compréhension de la rupture diélectrique de l’alumine. Nous avons orienté nos expériences vers l’étude de l'effet d'une précontrainte mécanique sur les propriétés diélectriques de l’alumine. En effet, de nombreux travaux ont souligné que la rupture diélectrique de la céramique pourrait être fortement liée à leurs propriétés mécaniques. Plus précisément, les fissures mécaniques existantes dans la céramique seraient capables de croître sous l'effet d’un champ électrique. L'effet du champ électrique sur la propagation des fissures a été précédemment étudié soit sous champ électrique élevé (études de rigidité diélectrique) ou sous domaine modérée (études de vieillissement). Cela conduirait à la propagation des fissures jusqu'à la rupture diélectrique.
Afin d’étudier la validité de cette hypothèse, une précontrainte mécanique a été appliquée sur des substrats d’alumine industriellement fabriqués et qui sont caractérisés par une conductivité thermique élevée, une rigidité diélectrique et une résistivité élevée. Ces substrats ont une pureté de 96%, et une taille de 115x115x0.635 mm. La rigidité diélectrique initiale (à température ambiante) a été mesurée en utilisant un transformateur à haute tension de 50Hz. Ensuite, les différentes contraintes mécaniques (à l'aide d'un dispositif de test de flexion en 3 points) ont été appliquées aux échantillons dans les mêmes conditions électriques, allant de 20 à 140 N, afin d'accroître la longueur des fissures préexistantes. La rigidité diélectrique résultante a été tracée en fonction de la force de la précontrainte mécanique.
Ayant une vitesse de prorogation constante, l'évolution de la rigidité diélectrique a été corrélée à l'évolution des fissures lors de la précontrainte; ce qui soutient la contribution des propriétés mécaniques aux phénomènes de claquage diélectrique dans l'alumine. Ceci pourrait être expliqué par le fait que le mécanisme de rupture diélectrique de la céramique à base d'alumine est fortement associé à la propagation des fissures et un changement de comportement de ce dernier influencera la rigidité diélectrique. La contrainte mécanique va favoriser la propagation de fissures dans le volume de la céramique, ce qui facilite le passage du courant. Des tests de rupture diélectrique sous contrainte mécanique ont été réalisés. Un banc d’essai a été conçu pour réaliser ces tests. Le dispositif est composé d’une cellule, remplie du Galden HT 270 (une huile utilisée pour éviter le contournement du courant lors du claquage diélectrique), contenant un dispositif de test de flexion 3 points. Les résultats obtenus ont confirmé notre hypothèse : il existe une corrélation entre les propriétés mécaniques de la céramique et la rigidité diélectrique. |
High voltage power modules are used in numerous applications to build high power con- verters. Technically, these modules are made of different materials and among them, die- lectric materials: organic and inorganic. Organic insulators (gels) are used to avoid corona discharges at the vicinity of connecting wires and high voltage dies (diodes and transistors) and to protect them against the moisture and the contaminants. Inorganic insulators (ce- ramic substrates) are used to insulate the high voltages dies from the grounded elements and to transfer heat to the heat sink. Despite being used since the late 90s, there is a lack of fundamental knowledge about the electrical properties of these substrates. Consequently, manufacturers tend to assure the reliability by oversizing them. As there are no clear rules for how to do that: failures occur, leading to the converter shutdown. The aim of this study is to bring new information about the understanding of the dielectric strength of ceramic ma- terial used in these modules. We have focused our work on the correlation between the mechanical and the dielectric properties of ceramics by using relevant experiments. We provide new information about the impact of existing cracks on the ceramic dielectric fail-
ure, according to the electromechanical breakdown model. Our conclusions bring crucial information about the precautions to be taken during manufacturing and implementation of these substrates in power modules to reduce the likelihood of the particular cause of failure. |