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L’électrification intelligente au service de la transition énergétique

Smart electrification towards energy transition

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Soutenance de thèse de Nicolas BOTTER

Publié le 18 janvier 2022
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2 février 2022

Soutenance de thèse de
de Nicolas BOTTER intitulée
"Étude de l'assemblage d'un module de puissance SiC sur radiateur céramique avec refroidissement double face"

En raison des restrictions dues à la Covid-19, la présentation sera présentée en visio.
Voici le lien pour suivre en visio : https://grenoble-inp.zoom.us/j/94356020663
Code secret : 506322

mercredi 2 février 2022 à 10h30


Amphi Berges
G2Elab - site GreEn-ER
21 avenue des Martyrs
38000 Grenoble


Accès Tram B, arrêt Condillac - Universités

mercredi 2 février 2022

diplome

diplome

Cette thèse a été préparée au sein de 2 laboratoires grenoblois, le G2elab et le SIMaP, sous la direction de Yvan Avenas, Jean-Michel Missiaen, Didier Bouvard et Rabih Khazaka.

Le jury sera composé de :

Monsieur Jean-François SILVAIN
Directeur de recherche, CNRS, Rapporteur
Monsieur Xavier JORDA
Directeur de recherche, Spanish-Research Council, Rapporteur
Monsieur Alberto CASTELLAZZI
Professeur des Universités, Kyoto University of Advanced Science, Examinateur
Monsieur Fiqiri HODAJ
Professeur des Universités, Grenoble INP-UGA, Examinateur
Monsieur Yvan AVENAS
Maître de conférences, Grenoble INP-UGA, Directeur de thèse
Monsieur Jean-Michel MISSIAEN
Professeur des Universités, Grenoble INP-UGA, Codirecteur de thèse
Monsieur Didier BOUVARD
Professeur des Universités, Grenoble INP-UGA, Coencadrant de thèse, Invité
Monsieur Rabih KHAZAKA

Docteur Ingénieur, Société SAFRAN Tech, Encadrant industriel, Invité
 

Résumé :

Dans un contexte de réchauffement climatique, l’opinion publique pousse les constructeurs aéronautiques à réduire les émissions de gaz à effet de serre produits par les vols commerciaux. Un levier d’action envisagé consiste à augmenter la part de l’électricité comme source d’énergie des actionneurs présents à l’intérieur des aéronefs dans le but de réduire leur masse. Néanmoins, les composants utilisés dans les convertisseurs d’électronique de puissance ne sont pas conçus pour fonctionner dans des environnements sévères tels que celui de l’aviation. Les boitiers des composants semi-conducteurs doivent donc être repensés afin de présenter des niveaux de fiabilités satisfaisants. Ce travail de thèse avait pour objectifs l’étude et la réalisation d’un module de puissance innovant à base de composants SiC, d’argent fritté et de substrats céramiques. L’étude de faisabilité a été réalisée en trois étapes. Tout d’abord, une attention toute particulière a été apportée à l’optimisation du procédé de frittage d’argent étant donné que l’accroche des composants mais aussi les pistes de puissance de ce module sont réalisées par frittage. Cette optimisation a été réalisée grâce à une étude dilatométrique inédite faite sur des échantillons de pâte d’argent d’une épaisseur de l’ordre de 100 µm. Cette étude a été particulièrement intéressante car elle a permis d’accéder à la cinétique de frittage, alors qu’en général seul l’état final de l’argent fritté est inspecté par analyse de coupe métallographique. Par la suite, les caractéristiques physiques ainsi que l’impact du vieillissement sous stockage et cyclage thermiques ont été étudiés sur des assemblages simples afin de sélectionner la meilleure association de matériaux et de procédés d’élaboration pour la réalisation du module final. Des résistances au cisaillement de l’ordre de 10 MPa ont été mesurées sur des échantillons ayant subis 1000 cycles thermiques sévères de -50°C à 180°C. Enfin, dans une dernière partie, les différentes étapes de réalisation du module de puissance ont été mises en place et ont permis la fabrication de dispositifs fonctionnels. Ce dispositif a finalement été caractérisé afin de quantifié l’impact de tout le processus de réalisation sur les composants de puissance. Des axes d’amélioration ont finalement été présenté dans le but d’améliorer l’assemblage des futurs modules double face.

Abstract :

In the context of global warming, public opinion is pushing aircraft manufacturers to reduce the greenhouse gas emissions produced by commercial flights. One possible way of doing this is to increase the share of electricity as a source of energy for the actuators inside of the aircraft in order to reduce their weight. However, the components used in power electronics converters are not designed to operate in harsh environments such as what can be find in commercial plane. The semiconductor component packages must therefore be redesigned to provide satisfactory levels of reliability.The objectives of this thesis were to study and develop an innovative power module based on SiC components, sintered silver and ceramic substrates. The feasibility study was carried out in three stages. Firstly, special attention was paid to the optimization of the silver sintering process, as the components and the power tracks of this module are sintered. This optimization has been made thanks to a novel dilatometric study carried out on silver paste samples with a thickness of around 100 µm. This study was particularly interesting because it allowed us to access to the sintering kinetics, whereas usually only the final state of the sintered silver is inspected by metallographic section analysis. Next, the physical characteristics as well as the impact of ageing under thermal storage and cycling were studied on simple assemblies in order to select the best combination of materials and manufacturing processes for the final module. Shear strengths of the order of 10 MPa were measured on samples that were subjected to 1000 severe thermal cycles from -50°C to 180°C. Finally, in the last part, the different steps of the power module realization were presented. Thanks to this, on a prototype has been made. This device was finally characterized in order to quantify the impact of the whole realization process on the power components. Finally thanks to those results, a number of improvements were presented to enhance the assembly of future double-sided modules.


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mise à jour le 25 janvier 2022

Université Grenoble Alpes