Impact des procédés industriels de traitement sur les propriétés diélectriques des substrats d'alumine utilisés dans les modules de commutation haute tension

摘要

Le domaine de l'électronique de puissance est un domaine en pleine expansion dans les applications ferroviaires, avioniques et automobiles. Ce développement est rendu possible grâce à l'arrivée sur le marché de composants de puissance qui n'ont cessé d'évoluer afin d'augmenter leurs performances tout en réduisant leurs tailles. Ces modules de puissance, tels que les modules à IGBT qui peuvent commuter jusqu'à 600 A sous 6500 V, sont constitués d'interrupteurs élémentaires (transistors et diodes) disposés sur un substrat céramique. Les liaisons entre composants sont assurées par des fils de connections et des pistes conductrices disposées sur le substrat. L'ensemble est inséré dans un boitier et encapsulé par un gel de type silicone pour assurer la protection de l'ensemble contre les agressions extérieures. Avant d'être intégrés dans les modules, ces substrats céramiques doivent subir différentes étapes de préparation. Ces étapes sont la découpe, le perçage, le marquage, le traitement de surface (surfaçage ou préparation à la métallisation) et le nettoyage. Ces traitements sont réalisés avec différents moyens technologiques : découpe, marquage ou nettoyage laser, traitements thermiques, nettoyages chimiques... et peuvent apporter des modifications bénéfiques, néfastes ou neutres sur les propriétés diélectriques des substrats. Jusqu'à ce jour, très peu d'études ont été menées pour déterminer les impacts de ces traitements sur le comportement diélectrique des alumines ainsi traitées. Il est donc primordial de connaître ces effets afin d'une part d'identifier les étapes industrielles qui peuvent nuire aux propriétés diélectriques des substrats et d'autre part de tirer à profit les résultats obtenus dans le cadre d'une démarche d'intégration de puissance. Les caractéristiques diélectriques qui ont été évaluées sont la rigidité diélectrique, la conduction électrique volumique et surfacique, les pertes diélectriques et la permittivité. Ainsi une gradation des effets induits par ces traitements, et ceci pour chaque type de traitement, a pu être estimée. Les conclusions de nos expériences ont montré que les propriétés diélectriques dépendant du volume de l'alumine n'étaient affectées que par les traitements thermiques. Sur un plan scientifique, nous nous sommes focalisés sur l'origine de la modification des propriétés électriques à partir des changements microstructuraux engendrés par ces différents traitements. Les résultats expérimentaux obtenus ont permis d'étayer des hypothèses émises lors d'études antérieures menées au laboratoire Laplace. Le mécanisme régissant la conduction à haut champ électrique a pu être ainsi identifié et associé à la taille des grains d'alumine. En ce qui concerne la rupture diélectrique, des informations cruciales concernant son origine ont pu permettre de lever des incertitudes quant au rôle de l'état de surface. Enfin, ce travail a permis d'émettre des propositions de traitements spécifiques qui devraient permettre de réduire la dimension des substrats par le biais d'une réduction des contraintes électriques surfaciques.