Domaine de l'invention

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite.

Un domaine d'application de l'invention est la fabrication de composants électriques. L'invention s'applique plus généralement, mais non exclusivement, aux systèmes d'électronique, d'électronique de puissance ou d'électrotechnique destinés à la conversion, à la distribution ou au transport de l'énergie électrique haute tension (tels que les convertisseurs de puissance, les transformateurs haute tension, les commutateurs à gaz isolant, les connecteurs haute tension, les éléments pour la transmission en haute tension, les câbles haute tension que ce soit en DC (« Direct Current ») ou AC (« Alternative Current »), les bus-bars, par exemple).

Le terme « composant électrique » dans ce document doit être interprété au sens large et peut correspondre aussi bien à un module électrique ou électronique, un circuit électrique ou électronique, un circuit imprimé de type PCB, une carte électrique ou électronique, un composant électronique, un connecteur électrique, un câble électrique, etc. Plus généralement, l'invention peut s'appliquer à tout élément à fonctionnalité électrique ou électronique doté de contacts électriques destiné à être environnés par un isolant électrique.

Art antérieur

Les céramiques industrielles (dites techniques) constituent un ensemble de matériaux avancés, utilisés dans une très grande variété d'applications allant du domaine de l'électronique à celui du spatial. Elles possèdent des propriétés fonctionnelles (électriques, magnétiques, thermiques, optiques, etc.) multiples et variées, de bonnes propriétés mécaniques et/ou d'excellentes stabilités thermique et chimique, associées à une faible densité. Le contrôle local des propriétés, dans une ou plusieurs parties, d'une céramique est crucial pour lui conférer la capacité de remplir davantage de fonctions technologiques et/ou de renforcer sa tenue mécanique.

Une telle approche est recherchée pour de nouvelles gammes d'applications en quête de matériaux plus fonctionnels, performants, fiables, stables, légers et/ou résistants à la montée en température et sous environnements sévères.

Elle requiert en conséquence de développer des pièces composites à matrice céramique. Les pièces composites actuelles sont obtenues par l'assemblage, à une interface planaire et bidimensionnelle (2D), de deux céramiques de compositions chimiques distinctes.

On cite, à titre d'exemple, celles développées pour les applications des cellules solaires. Ces pièces sont généralement fabriquées par cofrittage de deux couches de poudres, préalablement superposées, en employant les techniques de la mise en forme par pressage à chaud. L'une des deux céramiques élaborées sert de substrat.

Si cette approche permet de conférer à ce substrat de nouvelles propriétés en surface, elle ne permet pas une modification en volume de celui-ci.

Même dans le cas de techniques de fabrication additive comme le procédé de frittage sélectif par laser ("Sélective Laser Sintering" ou SLS en anglais) ou le procédé de fusion sélective pas laser ("Sélective Laser Melting" en anglais), qui sont des techniques pour l'élaboration de formes et objets complexes tridimensionnels, les matériaux élaborés présentent des propriétés bien inférieures à celles obtenues avec des techniques de consolidation classiques (frittage sans ou sous charge), et la complexité de l'interaction laser-matériau limite leur application optimale à un seul matériau à la fois.

Cela empêche en conséquence leur utilisation pour de nombreuses applications requérant le contrôle des propriétés fonctionnelles en volume.

Il apparaît donc nécessaire de proposer une solution innovante permettant de modifier en volume un substrat en céramique de sorte à contrôler localement ses propriétés fonctionnelles.

On rappelle que certaines céramiques sont d'excellents isolants électriques et sont utilisées par exemple comme substrat isolant pour des applications d'électronique de puissance. L'isolation électrique est un élément critique dans les dispositifs fonctionnant sous haute tension. La durée de vie d'un composant électrique étant souvent liée à la durée de vie de son isolation, des recherches ont été menées ces dernières années pour comprendre les causes de dégradation et de vieillissement des matériaux utilisés comme isolants électriques solides, et en particulier dans les modules d'électronique de puissance. Ces derniers fonctionnant sous haute tension sont soumis en effet à de fortes contraintes électriques, pouvant conduire à l'apparition de renforcements de champ électrique dans le matériau isolant (i.e. zones singulières à proximité des éléments conducteurs autour desquelles le champ électrique est plus intense). Ces renforcements de champ sont - sous condition que certains niveaux de tension soient atteints - sources de décharges partielles dans le volume des isolants, détériorant le composant au fur et à mesure de son utilisation, voire de claquage électrique.

Ceci est d'autant plus remarquable que les matériaux isolants utilisés dans les composants de puissance actuels endurent des contraintes pour lesquelles ils n'ont pas été forcément dimensionnés. En effet, la montée en tension de fonctionnement combinée à la forte augmentation de l'intégration de l'électronique dans les systèmes embarqués notamment, conduit à une augmentation de la densité de puissance. De ce fait, le niveau de contraintes électriques à endurer pour les matériaux isolants se trouve démultiplié.

Une solution pour garantir une meilleure tenue en tension consisterait à surdimensionner les éléments constitutifs des composants électriques, mais cette démarche n'est évidemment pas compatible avec une recherche d'intégration du système.

Un composant fréquemment utilisé dans les systèmes de conversion d'énergie pour le transport ferroviaire par exemple, est le module de puissance à puces IGBT (pour « Insulated Gâte Bipolar Transistor » ou transistor bipolaire à grille isolée), comme illustré sur la figure 1. Sa structure est constituée d'un empilement de différents éléments. Une ou plusieurs puces IGBT 1 sont brasées sur un substrat isolant 2 comprenant une couche électriquement isolante 21 (à base d'un matériau céramique) laquelle est recouverte sur ses faces inférieure et supérieure d'un contact électrique métallique 22 et 23 (métallisation). Le substrat 2 est un substrat céramique métallisé (Type AI203, Si3N4, AIN) appelé DBC (pour « Direct Bonding Copper ») ou AMB (pour « Active Métal Brazing ») du fait du procédé par lequel la métallisation est réalisée. Dans le cas le plus courant, ce substrat est disposé sur un support 5 en cuivre ou en AlSiC. Les différents éléments du module sont assemblés et recouverts d'une couche de matériau électriquement isolant 3 (encapsulant, le plus souvent un gel silicone ou une résine époxy), puis enfermés dans un boîtier plastique 6. Le module est ensuite fixé à un système de refroidissement face inférieure du module (non représenté), afin de dissiper la chaleur produite par les puces en fonctionnement, puis relié par des conducteurs au reste du circuit électrique (actionneurs, sources, etc.).

Une des principales causes de défaillance d'un point de vue électrique de ce type de composant réside dans la rupture de l'isolation électrique au niveau du point triple céramique/métal/isolant d'encapsulation, comme illustré sur la figure 2 (point triple noté PT) correspondant à l'interface de trois milieux de permittivités différentes, et au niveau de la pointe du contact électrique 22 (référencé P) à l'interface métal/isolant (on parle dans ce cas d'« effet de pointe »). En effet, le renforcement de champ électrique localisé dans les isolants au voisinage de ce point sensible existe et peut conduire à la formation de décharges électriques partielles, se manifestant parfois sous la forme d'arborescences électriques, dont la répétition dégrade le matériau d'encapsulation 3, entraînant un vieillissement prématuré du module, ainsi que des problèmes de fiabilité, ou une limitation de la tenue en tension. Le renforcement de champ est en outre fortement lié à la géométrie des bords des contacts qui sont obtenus après gravure et amplifie la non-uniformité du champ électrique dans les matériaux isolants.

Dans une optique de montée en tension et/ou d'intégration de l'électronique de puissance tout en conservant des contraintes de tensions élevées, une solution connue, décrite dans le document de brevet WO 2015/074431, et illustrée sur la figure 3, consiste à déposer une couche mince de vernis semi-résistif 4 à base de silicium amorphe hydrogéné sur la couche de céramique 21 à l'interface avec le matériau d'encapsulation 3 depuis le contact électrique supérieur 22 jusqu'au contact électrique inférieur 23. Cette couche de vernis semi-résistif 4 permet de réduire le risque de décharges partielles situées autour des contacts électriques. Toutefois, une telle solution nécessite l'utilisation d'un équipement de dépôt par plasma qui est coûteux et difficilement i nd ustria lisable. De plus, le masquage de certains éléments sensibles au sein de la structure est relativement complexe au vu de la variation des éléments structurels qui peuvent le composer.

Une autre solution connue, décrite dans la publication scientifique de N. Hayakawa, et AL, 2012, intitulée « Fabrication Technique of Permittivity Graded Materials (FGM) for Disk-Type Solid Insulator, Proceedings of the CEIDP », repose sur la réalisation d'un matériau gradateur de potentiel (ou gradateur de champ électrique) en tant que matériau d'encapsulation électriquement isolant pour composants électroniques. La gradation de potentiel est effectuée par un matériau à gradient de permittivité. Celui-ci est un composite à base d'une matrice polymère chargée en particules de tailles différentes. Ce composite, avant d'être durci, est soumis à une force centrifuge de façon à provoquer le déplacement des particules dans la matrice polymère pour obtenir un certain profil de permittivité en fonction de la distribution spatiale des particules.

Toutefois, cette solution présente un certain nombre d'inconvénients. Du fait de la nature de la technique utilisée pour déplacer les particules dans la matrice polymère (centrifugation), seul un déplacement unilatéral des particules dans la matrice est possible (dans le sens opposé au centre de rotation du matériau), ce qui n'est pas optimal. Cette technique est restrictive car elle ne permet de traiter qu'une unique zone localisée du matériau (et non forcément l'intégralité des zones qu'il conviendrait de traiter (l'absence de décharges partielles dans le matériau n'est donc pas garantie)), et implique en outre que le matériau ait une forme géométrique simple (cylindrique ou circulaire). Cette solution requiert de plus un ré-usinage du matériau d'encapsulation postérieurement aux étapes de centrifugation et de durcissement, ce qui est fastidieux et coûteux à mettre en œuvre. Enfin, elle ne semble pas compatible pour la fabrication de composants électriques volumineux, comme les modules de puissance, les transformateurs ou appareils de coupure haute tension par exemple.

Par ailleurs, depuis l'apparition des modules de puissance dans les années 90 et malgré la montée en puissance (au niveau des calibres en courant) de ce composant, il n'y a pas eu de rupture technologique de ce composant d'un point de vue des niveaux des calibres en tension.

Actuellement, la plus haute tension disponible pour les modules de puissance à base de silicium est 6,5 kV. D'un point de vue isolation électrique, l'idée principale pour faire évoluer les différents calibres en tension a été d'augmenter la distance d'isolement. Cette démarche devient inopérante à partir d'un certain niveau de tension.

Il apparaît donc également nécessaire de proposer une solution innovante d'isolation électrique qui permette de réduire de manière efficace le phénomène de décharges partielles dans un composant électrique et/ou de monter en tension de fonctionnement, et qui soit simple et peu coûteuse à mettre en œuvre.

Exposé de l'invention

Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé un procédé de fabrication d'une pièce composite comprenant :

- un substrat constitué d'un premier matériau, ledit premier matériau étant une céramique ou un composite à matrice céramique, et

- plusieurs volumes tridimensionnels disposés dans ledit substrat, chacun desdits volumes tridimensionnels étant constitué d'un deuxième matériau qui est une céramique ou un composite à matrice céramique présentant une conductivité électrique, une permittivité et une conductivité thermique prédéfinies, lesdits volumes tridimensionnels étant constitués d'une même céramique ou d'un même composite à matrice céramique ou bien de céramiques ou composites à matrice céramique différents,

le procédé comprenant les étapes suivantes :

- réalisation d'une première préforme constituée du premier matériau et destinée à former le substrat et obtention de plusieurs empreintes creuses sur une face de ladite première préforme, chacune desdites empreintes creuses étant configurée pour délimiter un desdits volumes tridimensionnels,

- remplissage total ou partiel de chacune desdites empreintes creuses avec le deuxième matériau de sorte à réaliser des deuxièmes préformes formant chacune un desdits volumes tridimensionnels,

- assemblage par frittage de la première préforme et des deuxièmes préformes de sorte à obtenir la pièce composite.

Le deuxième matériau peut en outre présenter des propriétés mécaniques prédéfinies. L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce composite fiable constituée d'une céramique hétérogène comprenant plusieurs (deux ou plus) zones d'une céramique et/ou d'un composite à matrice céramique ayant des propriétés et une géométrie tridimensionnelle contrôlées.

On rappelle que les composites à matrice céramique sont caractérisés par un ensemble de particules carbonées ou céramiques ou métalliques qui sont incorporées dans une matrice céramique.

Le procédé de fabrication d'une pièce intégrant plusieurs volumes comprenant le même matériau ou des matériaux différents est avantageux en ce sens que les étapes de ce dernier sont simples à mettre en œuvre, le frittage (flash par exemple) permettant notamment la densification et l'assemblage simultanés de deux matériaux différents ou plus, une élaboration en une seule étape et la mise en œuvre d'un seul cycle thermomécanique.

Les pièces composites fabriquées présentent des propriétés et géométries contrôlées, une bonne tenue mécanique, une densité élevée jusqu'à 99% et un degré de reproductivité très élevé, jusqu'à 100%.

En d'autres termes, le procédé de fabrication proposé est efficace, fiable, simple et rapide, mais aussi économique en termes de temps et d'énergie.

Les considérations technologiques requises pour une réalisation fiable de la pièce composite sont en particulier :

i) la minimisation des contraintes thermomécaniques aux interfaces 3D entre le substrat et les volumes qui y sont intégrés lors de la fabrication de la pièce composite. Cette minimisation de contraintes implique le développement du (ou des) matériau(x) constituant les volumes possédant un coefficient de dilatation thermique similaire à celui du substrat.

ii) la stabilité chimique de la pièce qui implique à ce que les éléments chimiques du (ou des) matériau(x) des volumes ne diffusent pas dans le matériau du substrat et vice- versa. Cela protège les propriétés des différentes parties de la pièce composite et assure en conséquence la multiplicité de ses fonctions.

iii) l'optimisations des conditions de frittage (température, pression et durée) pour une élaboration et un assemblage simultanés du substrat et des volumes permettant la fabrication d'une pièce composite fiable intégrant des volumes aux propriétés et à la géométrie contrôlées. Selon une mise en œuvre particulière, postérieurement à l'étape de remplissage et préalablement à l'étape assemblage de la première préforme et des deuxièmes préformes, le procédé de fabrication comprend une étape de dépôt d'une couche constituée du premier matériau de sorte à recouvrir et noyer les deuxièmes préformes dans la première préforme.

Selon différentes mises en œuvre de l'invention, les préformes sont obtenues par une même technique ou des techniques différentes choisies parmi les techniques d'extrusion, de pressage de bandes coulées, de dépôt par sérigraphie, de dépôt par jet d'encre et des procédés de fabrication additive.

Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, les préformes sont obtenues par compactage de poudre.

Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes :

- mise en place dans un moule d'une première couche du premier matériau en poudre destinée à former le substrat ;

- compactage de la première couche de sorte à former la première préforme et obtention de plusieurs empreintes creuses sur une face de ladite première préforme, chacune desdites empreintes creuses étant configurée pour délimiter un desdits volumes tridimensionnels ;

- mise en place dans ledit moule d'une deuxième couche du deuxième matériau de sorte à recouvrir ladite face de la première préforme et remplir lesdites empreintes creuses pour former les volumes tridimensionnels ;

- compactage de la deuxième couche de sorte à former les deuxièmes préformes ;

- assemblage de la première préforme et des deuxièmes préformes par frittage de sorte à obtenir la pièce composite ;

- extraction hors du moule de ladite pièce composite ;

- rectification des deuxièmes préformes consistant à enlever la partie des deuxièmes préformes située au-dessus de ladite face de la première préforme sans retirer l'autre partie des deuxièmes préformes formant chacune un volume tridimensionnel disposé dans la première préforme.

Selon différentes mises en œuvre de l'invention, le frittage de la première préforme et des deuxièmes préformes consiste en un frittage conventionnel, tel un frittage naturel, un frittage sous charge (HP) ou un frittage isostatique, ou en un frittage non conventionnel, tel un frittage flash (SPS), un frittage laser ou un frittage micro-ondes. L'invention concerne également une pièce composite obtenue par un tel procédé de fabrication comprenant :

- un substrat constitué d'un premier matériau, ledit premier matériau étant une céramique ou un composite à matrice céramique, et

- plusieurs volumes tridimensionnels disposés dans ledit substrat, chacun desdits volumes tridimensionnels étant constitué d'un deuxième matériau qui est une céramique ou un composite à matrice céramique présentant une conductivité électrique, une permittivité et une conductivité thermique prédéfinies,

lesdits volumes tridimensionnels étant constitués d'une même céramique ou d'un même composite à matrice céramique ou bien de céramiques ou composites à matrice céramique différents.

Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, lesdits volumes tridimensionnels sont disposés sur une face dudit substrat.

Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, lesdits volumes tridimensionnels sont disposés au sein dudit substrat.

Selon un mode de réalisation de l'invention, le premier matériau est composé d'un mélange de AIN avec Xi%m Y ₂ 0 ₃ et x ₂ %m CaF ₂ , le deuxième matériau étant composé d'un mélange de AIN avec Xi%m Y ₂ 0 ₃ et x ₂ %m CaF ₂ et y vol.% MCG (multicouches de graphène) ou d'un autre matériau carboné, ou d'un disulfure métallique tel que MoS ₂ , MXS _2, WS ₂ avec 0,5 < Xi < 6 m%, 1 < x ₂ < 7 m% et 0,01 < y < 10 vol.%.

Selon une variante de réalisation, le premier matériau est composé d'un mélange d'AlN et d'ajouts de frittage et le deuxième matériau est composé :

d'un mélange d'AlN et y vol. % de multicouches de graphène, ou

d'un mélange d'AlN et y vol. % de nanotubes de carbone, ou

d'un mélange d'AlN et y vol. % de carbone,

avec 0,01 £ y < 10 vol.%.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le premier matériau est composé d'AI ₂ 0 ₃ et le deuxième matériau est composé:

d'un mélange d'AI ₂ 0 ₃ et y vol. % d'un disulfure métallique et y vol. % de multicouches de graphène, ou d'un mélange d'AI ₂ 0 ₃ et y vol. % d'un disulfure métallique et y vol. % de nanotubes de carbone,

avec 0,01 £ y £ 10 vol.%.

Le disulfure métallique peut être MoS ₂ , ou de WoS ₂ ou MxS ₂ .

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le premier matériau est composé de Si ₃ N ₄ ou de SiAION et le deuxième matériau est composé :

d'un mélange de Si ₃ N ₄ ou SiAION respectivement et y vol. % d'un disulfure métallique et y vol. % de multicouches de graphène, ou

d'un mélange de Si ₃ N ₄ ou SiAION respectivement et y vol. % d'un disulfure métallique et y vol. % de nanotubes de carbone,

avec 0,01 < y < 10 vol.%.

Le disulfure métallique peut être MoS ₂ , ou de WoS ₂ ou MxS ₂

L'invention concerne, par ailleurs, un composant électrique comprenant une telle pièce composite.

Selon une application particulière, le composant électrique prend la forme d'un module électronique de puissance, ladite pièce composite constituant le substrat isolant dudit module électronique de puissance, lesdits volumes tridimensionnels disposés dans ledit substrat de ladite pièce composite présentant une conductivité électrique et une permittivité différentes de celles dudit substrat de sorte à réduire la contrainte électrique dans le substrat isolant.

Un tel composant électrique utilise un substrat, sous forme de pièce composite, avec une conductivité modifiée localement, uniquement aux niveaux des volumes intégrés.

Un tel composant électrique peut prendre la forme d'un module électronique de puissance, ladite pièce composite constituant le substrat céramique isolant dudit module.

Dans ce cas de figure, le procédé de l'invention permet d'améliorer les performances des modules de puissance haute tension pour la conversion d'énergie électrique, notamment en termes de tenue en tension et de fiabilité, par action localisée sur la conductivité électrique du substrat céramique métallisé.

Le procédé permet de diminuer le niveau du champ électrique au niveau du point triple par un étalement des lignes de potentiel par intervention dans le substrat céramique (en nitrure d'aluminium (AIN) par exemple), et notamment par la mise en œuvre de plusieurs volumes tridimensionnels, dits poches, dans lesquelles sont modifiées partiellement ou entièrement la composition chimique et les propriétés du substrat céramique.

On obtient ces poches en développant un composé aux propriétés électriques recherchées et en l'intégrant en volume dans un substrat à l'aide d'un frittage flash produit par la technologie SPS (initiales de « Spark Plasma Sintering » en anglais, c'est-à- dire « frittage flash de plasma ») préférentiellement.

Ces poches sont disposées dans les zones du substrat céramique où des renforcements de champ électrique indésirables peuvent apparaître lorsque le composant est sous tension.

Ceci induit une augmentation de la permittivité diélectrique et/ou de la conductivité électrique de manière ciblée et adaptée en fonction des propriétés souhaitées vis à vis du composant électrique.

Ainsi, le procédé de l'invention offre une solution simple et efficace basée sur un ajustement ciblé du profil de permittivité diélectrique et/ou de conductivité électrique du matériau composite formant le substrat céramique d'un module de puissance haute tension. Le matériau composite obtenu présente donc un profil de permittivité diélectrique et/ou de conductivité électrique réduisant les renforcements de champ électrique, sources de décharges partielles au sein du composant électrique en fonctionnement.

Le procédé de traitement selon l'invention permet donc de garantir une meilleure tenue en tension du composant électrique et par conséquent une durée de vie augmentée ou une gamme d'applications étendue aux applications plus hautes tensions.

Avantageusement, les volumes tridimensionnels d'un tel composant électrique sont obtenus par frittage SPS ou frittage sous charge et présentent une conductivité électrique dans le plan perpendiculaire à l'axe de pressage supérieure à la conductivité électrique dans le plan parallèle à l'axe de pressage.

Selon une mise en œuvre particulière, le rapport de conductivités électriques, appelé facteur d'anisotropie, dans les plans parallèle et perpendiculaire à l'axe de pressage est compris entre 25 et 10 ¹² .

Présentation des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels:

- la Figure 1 déjà décrite en relation avec l'art antérieur, présente un exemple de module électronique de puissance connu de l'état de la technique ;

- la Figure 2 déjà décrite en relation avec l'art antérieur, présente une vue partielle en coupe du module électrique illustré à la figure 1 ;

- la Figure 3 déjà décrite en relation avec l'art antérieur, présente une technique connue pour réduire la formation de décharges partielles dans un module de puissance tel que celui présenté en relation avec les figures 1 et 2 ;

- les Figures 4 b), c), e), f), h) et i) illustrent différents exemples de pièces composites pouvant être obtenues par le procédé de l'invention pour lesquelles les volumes tridimensionnels sont disposés sur une face du substrat ;

- les Figures 4a), d) et g) illustrent d'autres exemples de pièces composites ne présentant qu'un volume tridimensionnel disposé sur une face du substrat ;

- la Figure 5 illustre différents exemples de pièces composites pouvant être obtenues par le procédé de l'invention pour lesquelles les volumes tridimensionnels sont disposés sur une face du substrat ;

- les Figure 6A à 61 illustrent les différentes étapes d'une solution particulière de fabrication d'une pièce composite conforme à l'invention;

- la Figure 7 illustre un exemple de cycles de température (a) et de pression (b) de l'étape de frittage mise en œuvre au cours de la fabrication d'une pièce composite conforme à l'invention, et notamment dans la solution particulière décrite en relation avec les figures 6A à 61;

- la Figure 8A est une vue en coupe schématique illustrant un module de puissance haute tension dans lequel l'invention est mise en œuvre ;

- la Figure 8B est une vue en coupe schématique illustrant un autre module de puissance haute tension dans lequel l'invention est mise en œuvre;

- la Figure 8C est une vue en coupe schématique illustrant encore un autre module de puissance haute tension dans lequel l'invention est mise en œuvre;

- la Figure 9 illustre la répartition du champ électrique et des équipotentielles pour une structure de référence d'un module de puissance; - la Figure 10 illustre la répartition du champ électrique et des équipotentielles pour une structure d'un module de puissance avec substrat céramique intégrant une zone « poche » à conductivité électrique contrôlée sous le point triple, illustrée dans la figure 8B ;

- la Figure 11 représente les valeurs des champs électriques maximaux dans les trois zones (céramique, poche céramique modifiée et gel silicone) en fonction de la conductivité électrique dans la poche intégrée dans la céramique de la structure de la figure 10;

- la Figure 12 représente, pour une structure d'une céramique intégrant une poche (telle que figure 8B), les valeurs des champs électriques maximaux en fonction de la variation de la conductivité s de la poche et de la fréquence de la tension sinusoïdale d'alimentation;

- les Figures 13 b) et c) illustrent différents exemples de pièces composites conformes à l'invention pour lesquelles les volumes tridimensionnels sont disposés au sein du substrat;

- la Figure 13 a) illustre une pièce composite pour laquelle un seul volume tridimensionnel est disposé au sein du substrat;

- la Figure 14 est un schéma synoptique simplifié représentant les différentes étapes du procédé de fabrication d'une pièce composite conforme à l'invention ;

- la Figure 15 est un schéma synoptique simplifié représentant les différentes étapes du procédé de fabrication particulier d'une pièce composite pour laquelle le ou les volumes tridimensionnels sont disposés au sein du substrat ;

- la Figure 16 montre une pièce composite pour illustrer les plages de valeur relatives aux dimensions de la pièce composite pour le cas général et le cas de l'exemple de l'électronique de puissance ;

- la Figure 17 montre une pièce composite conforme à l'invention pour illustrer les plages de valeur relatives aux dimensions de la pièce composite pour le cas général et le cas de l'exemple de l'électronique de puissance ;

- la Figure 18 illustre les directions parallèle et perpendiculaire à l'axe de pressage d'une pièce composite conforme à l'invention obtenue par frittage SPS ; - la Figure 19 illustre l'anisotropie de la conductivité électrique d'une pièce composite conforme à l'invention et obtenue par frittage SPS, selon les directions parallèle et perpendiculaire à l'axe de pressage.

5 Description détaillée

Sur toutes les figures du présent document, les éléments et étapes identiques sont désignés par une même référence numérique.

Structure d'une pièce composite et procédé de fabrication

Les inventeurs ont mis en œuvre un procédé original permettant le développement d'une pièce composite constituée d'un substrat (une céramique monolithique fonctionnelle, homogène ou hétérogène, ou un composite à matrice céramique) muni d'un (ou plusieurs) volume(s) à propriétés contrôlées.

La figure 4 illustre différents exemples d'une telle pièce composite 11 qui comprend en l'espèce un substrat 111 en matériau ou composé A intégrant un volume tridimensionnel 112 (exemples référencés a, d et g) ou, conformément à l'invention, plusieurs volumes tridimensionnels 112 (exemples référencés b, c, d, e, f, h, i) constitués chacun d'un matériau ou composé distinct du matériau A.

Ces volumes tridimensionnels 112 peuvent être de même composition chimique (exemples référencés b, e, f, h, i) ou de différentes compositions chimiques (exemple référencé c).

La figure 5 illustre d'autres exemples d'une telle pièce composite 11 qui comprend un substrat 111 en matériau A intégrant plusieurs volumes tridimensionnels 112 constitués chacun d'un matériau B, C, D, E ou F distinct du matériau A.

Pour tous ces exemples des figures 4 et 5, les matériaux A à F peuvent être des céramiques monolithiques ou composites.

Les propriétés (électriques, thermiques, mécaniques notamment) respectives des matériaux A à F et leurs dimensions sont contrôlées.

Comme cela est visible pour les exemples des figures 4 et 5, ces volumes tridimensionnels 112 peuvent prendre la forme d'un cylindre ou d'un cube. Ils peuvent dans une variante prendre la forme d'une sphère ou bien prendre d'autres formes géométriques en fonction de l'application envisagée. On note que différentes formes de motifs peuvent être réalisées incluant des composés/matériaux distincts les uns des autres avec des formes géométriques plus complexes en surface et en volume que ceux présentées en figures 4 et 5.

Ainsi les exemples a), b) et d) à i) de la figure 4 illustrent des pièces céramiques munies d'un ou de plusieurs volumes de composite B à différentes géométries tridimensionnelles contrôlées.

Les exemples c) de la figure 4 et a) à d) de la figure 5 illustrent des pièces céramiques munies de plusieurs (deux ou plus) volumes de composites différents à matrice céramique avec une géométrie tridimensionnelle contrôlée.

Les figures 13 b) et c) illustrent différents exemples de pièces composites conformes à l'invention pour lesquelles les volumes tridimensionnels sont disposés au sein du substrat.

Dans l'exemple de la figure 13 a), un unique volume tridimensionnel 112 cylindrique en matériau B s'étend à l'intérieur du substrat 111 cylindrique en matériau A.

Dans l'exemple de la figure 13 b), plusieurs (en l'occurrence cinq dans cet exemple) volumes tridimensionnels 112 (cylindriques dans cet exemple) en matériau B s'étendent à l'intérieur du substrat 111 cylindrique en matériau A.

Dans l'exemple de la figure 13 c), plusieurs (en l'occurrence cinq dans cet exemple) volumes tridimensionnels 112 (cylindriques dans cet exemple) en matériau B, C, D, E et F respectivement s'étendent à l'intérieur du substrat 111 cylindrique en matériau A.

Le procédé mis au point par les inventeurs permet une intégration tridimensionnelle de ces volumes 112 dans le substrat 111 avec une géométrie également contrôlée. La composition chimique des volumes tridimensionnels 112 est ajustée de manière à atteindre les propriétés recherchées d'une part et établir des interfaces tridimensionnelles (3D) fiables entre les volumes tridimensionnels 112 intégrés et le substrat 111, d'autre part.

Chaque volume tridimensionnel 112 peut être obtenu par la modification partielle ou entière de la composition chimique du substrat 111.

La réalisation d'une pièce composite 11 nécessite donc le développement du (ou des) matériau(x) qui constitue(ent) les volumes tridimensionnels 112 et leur intégration en volume dans le substrat 111. Le choix des éléments constitutifs de ce matériau (B, C, ...) est non seulement déterminant pour apporter à la pièce composite 11 les fonctions technologiques souhaitées, mais il est en plus soumis à plusieurs critères technologiques décisifs pour une intégration fiable de ce matériau.

En effet, outre ses propriétés fonctionnelles qui diffèrent de celles du substrat 111, le matériau ou composé d'un volume tridimensionnel 112 intégré doit :

avoir des conditions de frittage similaires (atmosphère, gammes de température, gammes de pression) à celles du composé ou matériau A du substrat 111 afin de pouvoir effectuer une consolidation simultanée des matériaux A, B, C.... et un soudage par frittage de ceux-ci les uns aux autres aux interfaces tridimensionnelles ;

être constitué d'éléments ou composés chimiques stables qui ne diffusent pas ou de façon contrôlée à travers les interfaces tridimensionnelles de l'un des matériaux vers l'autre, en particulier à la température de fabrication (frittage flash dit "SPS") de la pièce composite 11 et à celle de son usage. En d'autres termes, le substrat 111 doit agir comme une barrière de diffusion pour les éléments constitutifs des matériaux ou composés intégrés et vice-versa. Ceci permet d'éviter ou à tout le moins limiter la dégradation progressive des propriétés fonctionnelles des matériaux (A, B,...) et de préserver en conséquence le fonctionnement ou les fonctions technologiques de la pièce composite 11;

posséder un coefficient de dilatation thermique (CDT) similaire à celui du substrat 111. Cela minimise, aux interfaces des matériaux (A/B, A/C ...), les contraintes thermomécaniques induites par les cycles thermiques auxquels la pièce composite 11 est exposée lors de la fabrication par frittage flash (SPS) et lors de son utilisation, et évite ainsi sa fissuration, en particulier aux interfaces tridimensionnelles, qui conduirait à un endommagement irréversible de la pièce composite 11.

La fabrication d'une pièce composite 11 requiert par ailleurs la détermination préalable du retrait après frittage de chacun des matériaux, en particulier du matériau ou composé B (composite à matrice céramique) intégré dans le matériau A (céramique), afin de maîtriser les dimensions et la géométrie du motif à intégrer dans le substrat 111 en matériau A. On décrit ci-après, en relation avec la figure 14, les étapes principales du procédé de fabrication d'une pièce composite, telle que celles illustrées sur les figures 4, 5 et 13. Cette pièce composite peut comprendre un ou plusieurs volumes tridimensionnels aux propriétés électriques et/ou thermiques et/ou mécaniques contrôlées.

Dans cet exemple est réalisée une pièce composite 11 constituée d'un substrat 111 hétérogène en matériau A (AIN + Xi %m Y ₂ 0 ₃ + x ₂ %m CaF ₂ ) intégrant un volume tridimensionnel 112 en matériau B (AIN + Xi %m Y ₂ 0 ₃ + x ₂ %m CaF ₂ + y vol.% MCG), avec 0,5 £ Xi £ 6 m%, 1 < x ₂ < 7 m% et 0,01 £ y £ 10 vol.% (en pourcentage de masse m% ou de volume vol.%).

Les fractions respectives d'oxyde d'yttrium Y ₂ 0 ₃ (xi) et de fluorure de calcium CaF ₂ (x ₂ ) ont été déterminées en se basant sur les valeurs rapportées dans la littérature, mais aussi sur une optimisation expérimentale pour atteindre une densification maximale combinée à une conductivité thermique la plus élevée possible de la céramique à base d'AlN (matériau B). On donne ici une plage de valeurs de fraction pour chacun des ajouts : 0,5 - 6 m% pour Y ₂ 0 ₃ et 1 - 7 m% CaF ₂ . Notons que ces fractions dépendent, d'une part, de la qualité de la poudre AIN de départ, notamment en regard du taux d'oxygène (impuretés) contenu dans celle-ci, et d'autre part, des conditions expérimentales de l'étape de frittage détaillée ci-après.

Dans une première étape (S30), on réalise une première préforme PI constituée du premier matériau A et destinée à former le substrat 111, et on obtient au moins une empreinte creuse sur une face de ladite première préforme PI, chaque empreinte creuse étant configurée pour délimiter un volume tridimensionnel 112.

On remplit ensuite (S31), totalement ou partiellement ladite au moins une empreinte creuse avec le deuxième matériau B de sorte à réaliser au moins une deuxième préforme P2 formant au moins un volume tridimensionnel 112, puis on assemble (S33) la première préforme PI et la ou les deuxièmes préformes P2 par frittage de sorte à obtenir la pièce composite 11. Après l'étape d'assemblage (S33), une étape d'arasage d'un surplus de matériau B peut être mise en œuvre.

On décrit ci-après, en relation avec les figures 6A à 61, les étapes principales d'un procédé particulier, par compactage de poudre, de fabrication d'une pièce composite, telle que celles illustrées sur les figures 4 et 5. Dans ce procédé particulier, on charge une poudre d'un premier matériau A dans un moule 30 en graphite de diamètre égal à 20 mm comme illustré sur la figure 6A. Le moule 30 a une forme intérieure correspondant à la forme de la pièce à obtenir (cylindrique dans le cas présent). Une feuille en graphite a été préalablement placée sur la paroi interne de la matrice et au-dessus du piston 31 en graphite afin d'éviter toute réaction entre l'enceinte et le premier matériau A.

Ensuite, on introduit dans le moule 30 un piston 32 à empreinte en acier inoxydable de diamètre légèrement inférieur à 20 mm qui est doté à son extrémité dirigée vers le moule d'un motif cylindrique, ou relief, 321 de diamètre égal à 14 mm et d'épaisseur "e" égale à 600 pm (figure 6B).

A l'étape suivante, on applique sur le piston 32 à empreinte une pression uni-axiale à froid (figure 6C) de sorte à compacter la poudre en matériau A et graver une empreinte EM creuse cylindrique (de diamètre égal à 14 mm et d'épaisseur "e" égale à 600 pm) dans la préforme PI (figure 6D). La forme de l'empreinte EM creuse est donnée par celle du piston 32 et délimite un volume tridimensionnel du composite à obtenir.

On réalise ensuite la préforme P2 constituée d'un deuxième matériau B au-dessus de la préforme PI. On note que la conductivité électrique o _A du matériau A est inférieure à la conductivité électrique o _B du matériau B.

Après avoir retiré le piston 32 en acier inoxydable, on verse la poudre de matériau B sur la préforme PI dans le moule 30 de manière à remplir l'empreinte EM creuse et couvrir toute la face supérieure de la préforme PI (figure 6E).

On introduit ensuite un second piston 33 en graphite au-dessus de la poudre en matériau B pour refermer le moule 30 et on applique sur ce piston 33 une pression uni axiale à froid (figure 6F). Ceci permet de compacter la poudre en matériau B et d'obtenir la préforme P2.

On procède ensuite au cofrittage flash ("SPS" pour "Spark Plasma Sintering" en anglais) des préformes PI et P2 (figure 6G) dans une atmosphère contrôlée à une température T _Sp s comprise entre 1550 et 1850°C pendant une durée t _SP s de préférence entre 1 et 20 minutes sous une pression P _SP s entre 30 à 100 MPa avec une pente de montée et/ou de descente en température vc entre 30 à 200°C/min. Pendant ce traitement, les préformes PI et P2 sont sous pression du piston supérieur 33 et du piston inférieur 31. Des cycles (a) et (b) de température et de pression particuliers de cette étape de frittage sont illustrés sur la figure 7.

On rappelle ici que la technologie SPS combine, simultanément, l'application d'une pression uniaxiale élevée et des impulsions de courant continu de forte intensité provoquant une élévation de température quasi immédiate et uniforme. Outre la durée et la vitesse de chauffage, le paramètre le plus important pour le procédé de frittage par SPS est la température de frittage. Les deux préformes à assembler peuvent être en une même céramique ou bien chacune des pièces à assembler peut être en une céramique différente (ce qui est le cas ici). On met ensuite en contact les surfaces à assembler et ce sans qu'aucun ajout d'aucune sorte ne soit placé entre ces surfaces. On établit un contact par pression entre les deux surfaces en regard à assembler. On applique ensuite, tout en maintenant la pression, un courant électrique pulsé auxdites préformes de façon à élever la température des préformes. En d'autres termes, lorsque tout est en contact on génère un courant électrique afin de créer l'élévation de température. Une fois que l'assemblage est réalisé, on cesse d'appliquer le courant électrique ainsi que la pression, et on refroidit les préformes.

Le traitement par frittage flash permet non seulement le cofrittage des deux préformes PI et P2, mais aussi le soudage de ces dernières pour obtenir une seule pièce composite dense (figure 6H).

En d'autres termes, à l'issue du traitement par frittage flash, on obtient ainsi une pièce composite dense pour laquelle le deuxième matériau B composite est intégré dans le premier matériau A par soudage obtenu par frittage.

On extrait les préformes assemblées et on évalue alors la profondeur du motif après le frittage et la quantité de matériau B à retirer.

On procède alors à la rectification, par polissage de préférence, de la deuxième préforme P2 consistant à enlever la partie de la deuxième préforme P2 située au-dessus de ladite face de la première préforme PI sans retirer l'autre partie de la deuxième préforme formant un volume tridimensionnel disposé dans la première préforme.

Après le polissage, on obtient une pièce composite 11 de bonne tenue mécanique (figure 61) présentant un substrat 111 muni d'un volume 112 cylindrique en son centre, ce volume étant constitué du composite à conductivités électrique et thermique contrôlées. On comprend que ces étapes sont également mises en œuvre lorsque plusieurs volumes tridimensionnels sont disposés dans la première préforme.

Cette pièce composite 11 élaborée par cofrittage des deux préformes PI et P2 est obtenue en appliquant un seul cycle thermomécanique, ce qui représente un gain significatif en termes de temps et d'énergie. L'observation au microscope optique a révélé l'absence de fissures aux interfaces des matériaux A et B (les CDT des céramiques sont similaires) suggérant la présence de faibles contraintes thermomécaniques, bien inférieures à la contrainte de la rupture des matériaux A et B, ni de diffusion du matériau B vers le matériau A.

L'examen d'une section transverse polie de cette pièce composite 11 a permis de mesurer la profondeur du matériau B après le frittage. Elle est de l'ordre de 150 pm, ce qui indique un retrait conséquent, soit 450 pm de l'ensemble de la pièce.

En ce qui concerne les pièces 11 composites de la figure 13 pour lesquelles un ou plusieurs volumes tridimensionnels 112 sont noyés au sein du substrat 111, le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes illustrées sur la figure 15. Dans une première étape (S30), on réalise une première préforme PI constituée du premier matériau A et destinée à former le substrat 111, et on obtient au moins une empreinte creuse sur une face de ladite première préforme PI, chaque empreinte creuse étant configurée pour délimiter un volume tridimensionnel 112.

On remplit ensuite (S31), totalement ou partiellement ladite au moins une empreinte creuse avec le deuxième matériau B de sorte à réaliser au moins une deuxième préforme P2 formant ledit au moins un volume tridimensionnel 112.

Le procédé comprend ensuite une étape (S32) de dépôt d'une couche de premier matériau A de sorte à recouvrir et noyer ladite au moins une deuxième préforme P2 dans la première préforme PI, puis on assemble (S33) la première préforme PI et ladite au moins une deuxième préforme P2 par frittage de sorte à obtenir la pièce composite 11.

Quel que soit le procédé de fabrication envisagé pour obtenir une pièce composite comprenant un ou plusieurs volumes tridimensionnels situés sur une face du substrat ou bien noyés dans ce dernier, le cofrittage flash des préformes PI et P2 est effectué dans une atmosphère contrôlée à une température T _SP s comprise entre 1550 et 1850°C pendant une durée t _SP s de préférence entre 1 et 20 minutes sous une pression P _SP s entre 30 à 100 MPa avec une pente de montée et/ou de descente en température vc entre 30 à 200°C/min, pour une préforme PI faite du matériau A (AIN + x ₄ %m Y ₂ 0 ₃ + x ₂ %m CaF ₂ ) et une préforme P2 faite du matériau B (AIN + x ₄ %m Y ₂ 0 ₃ + x ₂ %m CaF ₂ + y vol.% MCG avec 0,5 £ Xi £ 6 m%, 1 £ x ₂ £ 7 m% et 0,01 £ y £ 10 vol.% (en pourcentage de masse m% ou de volume vol.%).

On note que le frittage des préformes PI et P2 peut être obtenu, dans une variante, par un frittage conventionnel, tel un frittage naturel ou sous charge (dit "HP" pour "Hotpressing" en anglais), ou un frittage isostatique, ou un frittage non conventionnel, tel un frittage flash (SPS), ou un frittage laser, ou un frittage micro-ondes.

On note que les méthodes de la réalisation des préformes PI et P2 peuvent être différentes de celle décrite précédemment, consistant en un compactage de poudre. Ainsi, les préformes PI et P2 peuvent être obtenues par la même technique ou des techniques différentes (hybrides) choisies parmi les techniques d'extrusion, de pressage de bandes coulées (composite polymère/céramique), de dépôt par sérigraphie, de dépôt par jet d'encre et par toute technique de fabrication additive.

Description du procédé dans le cadre d'une application à l'électronique de puissance Un exemple d'intérêt de ce procédé, détaillé ci-après, est la réalisation d'une pièce composite à base de nitrure d'aluminium (AIN) pour des applications d'électronique de puissance.

L'invention ne se limite bien sûr pas à cet exemple (géométries et/ou propriétés), ni à ce domaine particulier d'application de l'électronique de puissance.

Ce procédé permet d'améliorer les performances des modules de puissance haute tension pour la conversion d'énergie électrique en termes de tenue en tension par action localisée sur la conductivité électrique et permittivité du substrat céramique métallisé.

Classiquement, un module de puissance est constitué de deux principaux matériaux isolants : le substrat en céramique (Type Al ₂ 0 ₃ , Si ₃ N ₄ , AIN) et le milieu encapsulant (le plus souvent un gel silicone ou une résine époxy). Comme souligné auparavant, l'interface de ces deux isolants est un des points faibles du module de puissance, et plus précisément la jonction entre le substrat, la métallisation et l'encapsulation qui est une zone d'accroissement du champ électrique. Cette zone de renforcement constitue un point névralgique du système d'isolation où le champ électrique est le plus élevé.

L'invention permet d'agir en diminuant le niveau du champ électrique au point triple par un étalement des lignes de potentiel. Cet étalement est obtenu par action sur la conductivité électrique par incorporation d'un additif conducteur dans le matériau céramique formant le substrat.

En d'autres termes, l'invention consiste à modifier de façon localisée les propriétés du matériau céramique au niveau du point triple en contrôlant la conductivité électrique et permittivité dans plusieurs zones géométriques tridimensionnelles prédéfinies.

Trois mises en œuvre sont proposées en figure 8A, 8B et 8C, la première utilisant une couche à conductivité modifiée en bande sur le substrat (figure 8A), la deuxième dans laquelle une poche à conductivité électrique modifiée est localisée sous chaque point triple (figure 8B), et la troisième dans laquelle ladite poche de céramique modifiée est intégrée sous chaque point triple et s'étend sous la métallisation et pas uniquement aux bords (figure 8C). Chacune de ces poches correspond à un volume tridimensionnel obtenu selon le procédé décrit précédemment.

Pour les deuxième et troisième mises en œuvre des figures 8B et 8C, le premier matériau A céramique est, par exemple, à base de nitrure d'aluminium (AIN).

Il est ainsi proposé d'ajouter à la poudre de céramique, ici AIN, un additif conducteur (dit ajout conducteur) permettant de modifier localement les propriétés électriques du matériau de sorte à ménager une ou plusieurs poches en matériau B céramique - ici AIN modifié (électriquement) - , mais aussi de proposer une géométrie d'objet adaptée et de mettre en forme l'ensemble AIN/AIN modifié à l'aide d'une méthode de frittage (flash par exemple) décrite en détails précédemment.

Ainsi, le procédé d'élaboration de pièces composites permet de fabriquer un substrat céramique AIN hétérogène intégrant en volume une ou plusieurs poches à propriétés électriques et thermiques contrôlées.

L'approche de l'invention consiste à agir sur les propriétés de la céramique et permet de conférer au substrat céramique de nouvelles propriétés au cœur de celui-ci.

Le matériau B comprend du nitrure d'aluminium AIN qui est modifié en y incorporant : - un additif de frittage pour favoriser le frittage en phase liquide du matériau durant le traitement par SPS et éliminer les impuretés d'oxygène dans le matériau : il peut s'agir de l'oxyde d'yttrium Y ₂ 0 ₃

- un additif pour réduire la quantité des phases secondaires formées aux joints de grains durant le frittage : il peut s'agir du fluorure de calcium CaF ₂

- des conducteurs comme les multicouches de graphène (MCG) afin de tirer parti de la mobilité de porteurs de charge élevée des feuillets de graphène : ceci permet d'ajuster les propriétés électriques et en particulier de jouer sur la conductivité électrique et permittivité du matériau B (AIN modifié).

Selon un mode de réalisation particulier, le substrat peut comprendre sur une de ses faces plusieurs volumes, appelés ici des poches, aux propriétés électriques et thermiques contrôlées. Ces poches sont ménagées sur une face du substrat par le procédé de fabrication décrit précédemment, par la mise en œuvre d'un relief particulier sur le piston à empreinte lorsque la solution décrite en relation avec les figures 6A à 61 est mise en œuvre.

Selon un autre mode de réalisation particulier, l'intérieur du substrat peut comprendre plusieurs volumes tridimensionnels, ou poches, aux propriétés électriques et thermiques contrôlées. En d'autres termes, ces volumes tridimensionnels sont enfouis au sein du substrat.

Des observations menées par les inventeurs montrent que le composé/matériau B affiche, pour les fractions relativement élevées de MCG (par exemple à 2,5 vol%), une conductivité électrique insensible à la fréquence, indiquant un comportement résistif sur toute la gamme de fréquence explorée. Les échantillons produits affichent des valeurs quasi-identiques révélant un degré de reproductivité remarquablement élevé. Cet accroissement en conductivité électrique est lié à la présence d'un nombre élevé de monocouches de graphène dotées d'une mobilité de porteurs de charge plus élevée, ce qui induit des effets électriques plus intéressants dans la matrice céramique AIN.

Le composé/matériau B affiche, pour des fractions plus réduites de MCG (par exemple à 1,25 vol%), une conductivité électrique dépendante de la fréquence, indiquant un comportement capacitif sur toute la gamme de fréquence explorée. L'incorporation de ces composés dans la céramique à base de AIN par cofrittage entraîne une augmentation locale (dans les poches) de la conductivité électrique de cette dernière. Ainsi, l'invention a pour objet de modifier le substrat et en particulier de modifier localement (au niveau du point triple "céramique (à base de AIN) isolante / métallisation / gel silicone") la conductivité électrique de sorte à diminuer le champ au point triple.

Cette approche est mise en œuvre avant la métallisation de la céramique alors que, dans l'art antérieur, il est proposé d'agir en modifiant la surface après la métallisation de la céramique.

Outre les fonctions technologiques (isolation électrique, conduction thermique (extraction de la chaleur), support et tenue mécanique) assurées par un substrat classique dans un module de puissance, la pièce composite décrite précédemment peut remplir la fonction de la gradation du champ électrique ou potentiel dans un tel module par le contrôle de la conductivité électrique et permittivité dans des volumes intégrés dans le substrat. L'approche adoptée pour ce procédé permet de produire une pièce totalement dense, présentant une excellente tenue mécanique.

L'utilisation d'un substrat céramique reste à l'heure actuelle incontournable dans les modules de puissance haute tension notamment du point de vue du transfert thermique. Malgré tout, le dimensionnement thermique limite fortement l'augmentation de l'épaisseur requise pour supporter une élévation du niveau de tenue en tension. La solution présentée permet d'optimiser le compromis existant entre "tenue en tension élevée" et "dissipation thermique élevée" de la structure dans les conditions d'application, compromis qui repose sur l'épaisseur de la céramique.

On donne, à titre d'illustration, un premier exemple de structure d'un substrat composite pour un module d'électronique de puissance pour lequel un motif cylindrique en un matériau composite (matériau B) à conductivité électrique et permittivité contrôlées est intégré dans la céramique hétérogène isolante (matériau A).

Dans ce premier exemple, la céramique A présente un diamètre de 20 mm et une épaisseur de 2 mm. Elle est composée de AIN + Xi%mY ₂ 0 ₃ + x ₂ %m CaF ₂ . Le composite B présente un diamètre de 14 mm et une épaisseur de 150 pm. Il est composé de AIN + Xi%m Y ₂ 0 ₃ + x ₂ %m CaF ₂ + y vol.% MCG (multicouches de graphène) ou y vol.% d'un autre matériau carboné, de MoS ₂ , ou de WS ₂ . On donne ici une plage de valeurs de fraction pour chacun des ajouts : 0,5 - 6 m% pour Y ₂ 0 ₃ et 1 - 7 m% CaF ₂ et 0,01 £ y £ 10 vol.% (en pourcentage de masse m% ou de volume vol.%).

On donne, à titre d'illustration, d'autres exemples de structure d'un substrat composite pour un module d'électronique de puissance pour lequel un motif cylindrique en un composite à matrice céramique (matériau B) à conductivité électrique et permittivité contrôlées est intégré dans la céramique isolante (matériau A).

Pour tous ces exemples, la conductivité électrique o _A de la céramique A est inférieure à la conductivité électrique o _B de la céramique B.

Selon une mise en œuvre particulière, la céramique A est composée de AIN et des ajouts de frittage (terres rares et/ou oxydes alcalino-terreux, tels que Y ₂ 0 ₃ , CaF ₂ ). Dans ce cas de figure, le composite B peut être composé de AIN + y vol. % MCG (multicouches de graphène), ou bien de AIN + y vol. % NTC (nanotubes de carbone) ou encore d'AlN + y vol. % de carbone avec 0,01 £ y £ 10 vol.% (en pourcentage de volume vol.%).

Selon une autre mise en œuvre particulière, la céramique A est composée de Al ₂ 0 ₃ . Dans ce cas de figure, le composite B peut être composé de Al ₂ 0 ₃ + y vol. % MCG (multicouches de graphène), ou bien de Al ₂ 0 ₃ + y vol. % NTC (nanotubes de carbone) avec 0,01 < y < 10 vol.% (en pourcentage de volume vol.%).

Selon encore une autre mise en œuvre particulière, la céramique A est composée de Si ₃ N ₄ ou SiAION. Dans ce cas de figure, la céramique composite B peut être composée de Si ₃ N ₄ ou SiAION respectivement + y vol. % MCG (multicouches de graphène), ou bien de Si ₃ N ₄ ou SiAION respectivement + y vol. % NTC (nanotubes de carbone) avec 0,01 < y < 10 vol.% (en pourcentage de volume vol.%).

La fraction « y » correspond à celle de l'ajout conducteur (MCG, NTC, carbone, MoS ₂ ou WS ₂ ) qu'on introduit dans le composé (AIN, Al ₂ 0 ₃ , Si ₃ N ₄ ou SiAION) pour modifier sa conductivité électrique et permittivité. La fraction « y » est optimisée pour atteindre la conductivité électrique recherchée dans le composite B qui est intégré dans les poches de la céramique A dans le but de diminuer le champ électrique aux points triples.

Les multicouches de graphène (MCG) peuvent être obtenues par l'exfoliation du graphite dans l'alcool isopropylique de préférence au moyen de la sonotrode.

Les conditions expérimentales de l'exfoliation sont sélectionnées et la durée de cette opération est comprise entre 1 et 12 h de sorte à produire des MCG avec une qualité permettant, d'une part, d'atteindre la valeur de la conductivité électrique à un taux bas de MCG et, d'autre part, de promouvoir une distribution la plus uniforme possible dans la matrice céramique AIN, nécessaire pour la reproductibilité des résultats. Un taux bas de MCG contribuera par ailleurs à préserver la conductivité thermique.

Le choix de l'alcool isopropylique comme solvant pour l'exfoliation de graphite est régi par sa température d'évaporation (82,6°C) basse permettant de séparer aisément le solvant du mélange final de la poudre.

La poudre (AIN + ajouts de frittage) est préparée à partir du mélange AIN + Xi %m Y ₂ 0 ₃ + x ₂ %m CaF ₂ qui est homogénéisé dans l'alcool absolu (solvant dispersant) au moyen d'un mélangeur mécanique réglé à une rotation comprise de préférence entre 100 et 500 rpm pendant une durée comprise entre 1 et 5 heures. La poudre est ensuite chauffée à 80°C pendant 15 h pour éliminer le solvant.

La poudre (AIN + Xi %m Y ₂ 0 ₃ + x ₂ %m CaF ₂ ) + y vol.% MCG est préparée comme suit: les multicouches de graphène (MCG) dispersées dans l'alcool isopropylique sont introduites avec le mélange AIN + Xi %m Y ₂ 0 ₃ + x ₂ %m CaF ₂ dans un ballon en verre qui a été ensuite fixé dans le rota-évaporateur. Le ballon est soumis à une rotation comprise entre 50 et 100 rpm pendant une durée comprise entre 1 et 5 heures pour homogénéiser la solution. Le système est ensuite mis sous vide pour réduire la pression partielle du solvant. La vapeur produite est aspirée, puis condensée grâce à un circuit de refroidissement, et le solvant liquide est finalement acheminé vers un ballon de récupération.

Les céramiques hétérogènes et nanocomposites à matrice céramique sont élaborées comme suit : les mélanges de poudre préparés (AIN + Xi %m Y ₂ 0 ₃ + _x2 %m CaF ₂ ) et (AIN + Xi %m Y ₂ 0 ₃ + x ₂ %m CaF ₂ + y vol.% MCG) sont traités par frittage flash (SPS) sous atmosphère contrôlée avec les conditions de mise en forme : T _SP s = 1550 - 1850°C, P _SP s = 30 - 100 MPa, t _SP s = 1 - 20 min et vc = 30 - 200°C/min.

Des simulations ont permis une mesure quantitative de l'effet de la solution proposée sur la distribution du champ électrique dans les matériaux au voisinage du point triple dans un module d'électronique de puissance.

En référence, sont illustrés les résultats obtenus dans le cas d'un module de puissance de calibre en tension 4,8 kV, constitué d'un substrat AIN (permittivité diélectrique : E _A I _N = 8,8 ; conductivité électrique : s _A|N = ÎO ¹³ S/m), d'épaisseur 635 miti, encapsulé par un gel silicone (e _gei = 2,7 ; o _gei = 10 ¹³ S/m). L'électrode de cuivre en face supérieure (d'épaisseur 300 pm) est connectée à la source délivrant une tension alternative de 4,8 kV à 50 Hz (fréquence de référence par rapport aux résultats de la bibliographie, c'est aussi celle du test de seuil d'apparition des décharges partielles (DP) selon la norme IEC 1287). L'électrode en face inférieure est reliée à la masse. La géométrie du bord de l'électrode de cuivre a été simulée sur la base d'un profil réel de gravure (mesuré d'après une vue en coupe d'une tranche de substrat commercial) : il apparaît que ce profil est un facteur très influent sur le résultat quantitatif du champ.

La figure 9 illustre la répartition du champ électrique et des équipotentielles pour une structure de référence avec un substrat céramique homogène. On visualise une concentration des équipotentielles autour du point triple (électrode/gel silicone/céramique AIN) et un champ électrique maximum de 55,5 kV/mm, situé dans la céramique, sur laquelle la flèche de la figure 9 pointe. Le champ électrique est représenté par un dégradé de couleurs, les valeurs les plus élevées correspondent aux couleurs les plus chaudes et les plus faibles champs aux couleurs plus froides. Les lignes équipotentielles sont celles représentées par des lignes. La valeur du champ maximal dans le gel à proximité du point triple est évaluée à 50,7 kV/mm.

La figure 10 illustre la répartition du champ électrique et des équipotentielles pour une structure avec substrat céramique à conductivité contrôlée dans une zone "avec poche" de céramique modifiée et permet de visualiser l'effet d'une poche à conductivité électrique contrôlée (e _ro< ± _q = 8,8 ; o _poChe = l,8xl0 ⁷ S/m), de profondeur 50 pm et de largeur 500 pm, sur la répartition des équipotentielles et les valeurs du champ électrique au voisinage du point triple.

Pour cette valeur particulière de conductivité électrique de la céramique dans la poche, il a été observé :

- une diminution du champ électrique maximum au niveau du point triple (Zone PT, du 'point triple' sur la figure 10) sous l'électrode de près de 50 % (28 kV/mm contre 55 kV/mm pour le substrat homogène),

- un « partage » de la contrainte maximale en champ avec d'autres zones, notamment en bord de poche (zone R de 'report' sur la figure 10), où un renforcement de champ est obtenu en surface dans le gel (avec une valeur maximale de 26 kV/mm) et en profondeur dans la céramique (avec une valeur maximale de 28 kV/mm).

Cette diminution des maxima du champ électrique présente un intérêt majeur en termes d'amélioration de fiabilité et de montée en tension des dispositifs électroniques de puissance.

La répartition du champ électrique est dépendante de la conductivité électrique de la poche de céramique modifiée et cette dépendance est fonction de la fréquence de la tension appliquée.

L'influence du paramètre o _poChe est donnée par les résultats de simulations présentés en figure 11 où sont reportées les valeurs des champs électriques maximaux dans les trois zones (céramique (AIN), poche (AIN modifié) et gel silicone) en fonction de la conductivité électrique dans la poche de céramique modifiée (en abscisse) de la structure de la figure 10.

Il est observé pour une excitation sinusoïdale à 50 Hz d'amplitude 4,8 kV que :

- la poche devient influente pour une conductivité supérieure à lxlO ⁸ S/m, valeur à partir de laquelle le champ maximal dans la poche et dans le gel commence à diminuer dans la zone PT (figure 10) du point triple, et le champ maximal dans la céramique et le gel dans la zone R (figure 10) en bord de poche commence à augmenter,

- pour une valeur particulière de la conductivité proche de 2xl0 ⁷ S/m, un équilibre est obtenu entre les valeurs des pics de champ dans les zones PT et R : c'est le cas présenté précédemment sur la figure 10 pour lequel le maximum du champ dans toute la structure isolante est le plus faible (28 kV/mm),

- pour une conductivité dans la poche supérieure à cette valeur, le renforcement du champ se reporte entièrement dans la zone R (figure 10), avec des valeurs des champs maximaux dans la céramique (41 kV/mm) et dans le gel (33 kV/mm) qui augmentent par rapport au cas optimal, mais qui sont dans tous les cas réduits par rapport au cas sans poche (correspondant ici au cas avec o _poChe = 10 ¹³ S/m). Il est à noter cependant que l'intensité du renforcement de champ dans cette zone R sera dépendante aussi du profil du bord de la poche.

La simulation permet ainsi de connaître la gamme de conductivité électrique favorable à la réduction du renforcement de champ dans la structure pour un fonctionnement à une fréquence donnée. Elle montre aussi que cette gamme est étendue, o _poChe devant être supérieure à une certaine valeur minimale (de 2xl0 ⁷ S/m, pour 50 Hz), pour laquelle tous les champs maximaux de la structure auront été réduits, et au-delà de laquelle, on bénéficiera au moins de la suppression du pic de champ en bord de métallisation (point PT), voire aussi d'un pic de champ maximal dans le gel par rapport au cas avec un substrat homogène (figure 9), plus réduit et en bord de poche.

Au bilan, cette étude numérique montre que la gamme de conductivité électrique à obtenir, afin de pouvoir bénéficier d'une réduction significative de la contrainte électrique sur les isolants du module, est large. Elle démontre aussi un intérêt double du concept proposé, qui permet :

- un report de la contrainte en champ à l'extrémité de la poche, loin de la zone perfectible au voisinage du point triple (défauts de gravure de l'électrode, bords de métal gravé irréguliers, bavures de la brasure, cavités dans l'encapsulant) ;

- un gain très important sur la contrainte en champ maximal subie par les isolants : soit 50 % pour une conductivité électrique optimale dans la poche, et jusqu'à 100 % dans la zone du point triple PT ; soit 25 % pour la céramique, et 35 % pour le gel dans la zone de report R, pour toute conductivité dans la poche supérieure à cet optimum.

Dans le cadre d'une structure avec poche à conductivité électrique contrôlée (figure 10), il a été procédé à une variation de la fréquence de la tension sinusoïdale d'alimentation en fonction de la variation de la conductivité o de la poche. Le résultat est présenté sur la figure 12.

Ces résultats indiquent que, pour une structure donnée (dimensions et propriétés des matériaux données), les propriétés s, e' et e" du matériau en AIN modifié de la poche doivent être choisies en fonction de la fréquence maximale de fonctionnement dans l'application visée, afin d'assurer une protection efficace (i.e. une réduction du pic de champ au point triple) quelles que soient les conditions d'utilisation.

Les étapes de réalisation d'un module de puissance à transistors IGBT, MOSFET (« Métal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor »), ou JFET (« Junction Field Effect Transistor »), tel que celui illustré partiellement sur la figure 8B, sont mises en œuvre selon des techniques bien connues issues de la microélectronique.

Sa structure est constituée d'un empilement de différents éléments.

Un premier contact électrique, de potentiel haut, reliée à une alimentation haute tension, et un deuxième contact électrique, de potentiel bas, relié à la masse sont agencés sur le substrat céramique sur la surface duquel ont été ménagées des poches de matériau céramique à conductivité et permittivité contrôlées, ces poches étant élaborées de manière à réduire la formation de décharges partielles lorsque le composant est sous tension. Un autre contact électrique (non illustré sur la figure) est agencé sur la face inférieure de la couche de matériau céramique et relié à la masse. Ces éléments forment le substrat céramique métallisé. Le module comprend en outre un support en cuivre (Cu) ou en alliage aluminium-carbure de silicium (AlSiC), couramment appelé semelle sur laquelle est disposée le substrat céramique métallisé.

Ces éléments sont recouverts d'une couche de matériau de protection (ou d'encapsulation) électriquement isolant.

Le procédé selon l'invention permet donc de garantir la fabrication d'un composant électrique ayant une meilleure tenue en tension électrique, moins de décharges partielles et par conséquent une durée de vie augmentée.

Les figures 16 et 17 montrent deux types de pièces composites permettant d'illustrer les plages de valeur relatives aux dimensions de la pièce composite pour le cas général et le cas de l'exemple de l'électronique de puissance.

Pour le cas général, le diamètre d _A du substrat (ici de forme cylindrique) de la pièce composite est compris entre 8 et 80 mm, la hauteur h du substrat est comprise entre 0.5 et 50 mm. A titre d'exemple, le diamètre d _A du substrat est égal à 20 mm et le diamètre d _B du volume tridimensionnel est de 14 mm. Le diamètre minimum d _B du volume tridimensionnel est compris entre 1 et 2 mm et le diamètre maximum d _B du volume tridimensionnel est compris entre la valeur d _B minimum et 18 mm. La profondeur e du volume tridimensionnel est comprise entre 5 pm et la valeur de la hauteur h du substrat. La distance d _m entre les volumes tridimensionnels est supérieure ou égale à une valeur comprise entre 1 et 2 mm.

Pour le cas d'un substrat composite d'un module de puissance, le diamètre d _A du substrat (ici de forme cylindrique) de la pièce composite est de 130mm x 180mm (Master Card - Substrat), la hauteur h du substrat est comprise entre 0.127 et 2 mm, le diamètre d _B du volume tridimensionnel est compris de 4mm x 4mm et 125mm x 175mm. La profondeur e du volume tridimensionnel est inférieure à la moitié de la hauteur h du substrat. La distance d _m entre les volumes tridimensionnels est supérieure ou égale à 2 mm et dépend du niveau de tension. Le procédé décrit ci-dessus est destiné à la fabrication de modules et composants électriques de puissance. Il est clair toutefois qu'il peut aisément être adapté à d'autres applications.

Les applications de la solution développée par les inventeurs sont diverses et concernent, par exemple, les substrats céramiques pour l'électronique de puissance en application à la conversion d'énergie hautes et très hautes tensions (au-delà de 500V) dans les domaines du transport (automobile, train, tramway, métro, naval et avionique) et de la production électrique (développement éolien, photovoltaïque et émergence des réseaux électriques continus HVDC).

D'autres matériaux céramiques (Al ₂ 0 ₃ , Si ₃ N ₄ , par exemple) présentant des propriétés physiques différentes peuvent être utilisés pour l'application en électronique de puissance et une optimisation locale en volume d'autres types de propriétés (thermiques, mécaniques, optiques, etc.) en utilisant d'autres particules de carbone, céramiques ou métalliques.

La modification sur une empreinte spécifique des propriétés électriques de la céramique pourrait, de plus, s'appliquer à d'autres domaines du génie électrique, comme par exemple les connecteurs et les passages de câbles.

Le procédé pourra être utilisé pour réaliser des pistes céramiques conductrices au lieu d'appliquer des pistes métalliques (cuivre, argent...) sur des substrats isolants. Dans ce cas, les pistes céramiques conductrices peuvent être intégrées au voisinage de la surface du substrat, ce qui permet une utilisation à haute température très recherchée en électronique.

Outre le domaine électronique, ces contacts céramiques peuvent être utilisés dans le domaine de la conversion d'énergie thermique en électricité au moyen de générateurs thermoélectriques (TE). En effet, le procédé permettra d'appliquer ces contacts aux extrémités de céramiques semi-conductrices élaborées sous forme de jambes (barreaux) TE. Cela permettrait de contribuer à réduire les résistances électriques et thermiques aux interfaces (souvent très élevées aux interfaces jambe céramique/métal) et de préserver en conséquence le rendement du générateur. Les contacts céramiques permettraient également de renforcer la fiabilité des jambes TE à haute température. Dans le même domaine des générateurs thermoélectriques, le procédé permettra par ailleurs de fabriquer des jambes TE céramiques entièrement intégrées dans une céramique protectrice. Cela servira à protéger de nombreux matériaux TE instables sous air et à la température de fonctionnement. De nombreux matériaux sont concernés (exemple : matériaux skuttérudites).

L'intégration de composants passifs nécessite des matériaux dont les fonctions peuvent être très variées (conducteurs, isolants, diélectriques et magnétiques). A l'heure actuelle, la plupart de technologies reposent sur l'assemblage de composants discrets, mais dans le souci de gagner en densité de puissance, les fonctions sont de plus en plus partagées dans un volume réduit. Le but ultime étant d'obtenir un seul élément qui intègre la plupart, voire toutes les fonctions des passifs. Le procédé proposé ouvre la voie à des structures céramiques intégrant les quatre foncions sur un même objet qui nécessiteront des structures 3D, dans un premier temps, pour intégrer la connectique (matériaux conducteurs) au sein des isolants ou diélectriques, et qui à terme permettront une nouvelle conception géométrique des fonctions magnétiques et/ou diélectriques.

Les avantages du procédé sont les suivants :

intégration tridimensionnelle 3D d'un ou plusieurs composés,

maîtrise des motifs intégrés,

étapes simples et faciles à mettre en œuvre,

densification et soudage simultanés par frittage SPS de deux ou plus matériaux de compositions distinctes,

élaboration en une seule étape dans le cas du frittage flash SPS,

possibilité d'effectuer le frittage par d'autres techniques de mise en forme (Ex. pressage à chaud conventionnel (Hotpressing - HP)),

application d'un seul cycle thermomécanique, ce qui représente un gain significatif en termes de temps et d'énergie.

Les avantages du composé développé sont les suivants:

conductivité électrique contrôlée,

conductivité thermique préservée,

propriétés mécaniques contrôlables,

stable aux conditions de frittage du substrat.

Les avantages des pièces composites fabriquées sont les suivants:

pièces à fonctions multiples et variées, propriétés et géométries contrôlées,

interfaces 3D maîtrisées,

degré de reproductivité très élevé, jusqu'à 100%,

densité très élevée, jusqu'à 99%,

bonne tenue mécanique.

Pour les applications de l'électronique de puissance, l'utilisation d'une pièce composite peut entraîner une réduction des contraintes (notamment électriques, thermiques, thermo-mécaniques), comme par exemple une réduction de la valeur du champ électrique maximum de 50%.

Anisotropie de la conductivité électrique

Les inventeurs ont constaté qu'il existe un lien direct entre les conditions d'exfoliation (qualité des particules, nombre de feuillets, taille de feuillets, concentration) et le facteur d'anisotropie (le facteur d'anisotropie étant le rapport de conductivités dans les plans parallèle et perpendiculaire au pressage), ce facteur étant plus particulièrement amélioré pour les composites frittés uni-axialement par frittage SPS. On rappelle que la technologie SPS combine, simultanément, l'application d'une pression uniaxiale élevée (figure 18) et des impulsions de courant continu de forte intensité provoquant une élévation de température quasi immédiate et uniforme.

Les résultats des mesures électriques montrent une différence très importante entre les conductivités électriques dans la direction parallèle et perpendiculaire au pressage. Les valeurs du facteur d'anisotropie, mesuré à 50 Hz, peuvent atteindre un facteur compris entre 150 et 10 ¹² , particulièrement entre 10 ³ et 10 ¹⁰ , plus particulièrement entre 10 ³ et 10 ⁸ et plus particulièrement encore entre 10 ³ et 10 ^e .

Les résultats montrent que c'est un contrôle fin des conditions d'exfoliation et de la concentration des particules (MLG (Multi Layer Graphene), BN, MoS2, W, entre autres) dans la céramique qui permet d'aboutir à ces facteurs d'anisotropie.

Dans l'exemple de l'application visée (substrat céramique), cette propriété est très pertinente car cela permet la gradation de potentiel, uniquement dans le sens utile et pas au détriment de l'isolation dans l'épaisseur de la céramique.

Le facteur d'anisotropie peut donc être modulé par le biais des conditions d'exfoliation. L'anisotropie peut être adaptée en fonction du procédé de réalisation, le facteur compris entre 10 ³ et 10 ^s (mesuré à 50 Hz) étant obtenu par frittage sous charge ou frittage flash notamment.

Les facteurs d'anisotropie très importants que les inventeurs ont mesurés permettent d'avoir un matériau à comportement conducteur dans la direction s perpendiculaire au pressage, et un comportement diélectrique ou isolant dans la direction sm parallèle au pressage comme illustré sur la figure 18.

La figure 19 montre la conductivité électrique parallèle et perpendiculaire à l'axe de pressage pour un échantillon AIN + 1 m% Y203 + 2 m% CaF2 + 2,5 vol% MCG, avec un temps total d'exfoliation de 2h+2h+lh. Comme illustré sur cette figure, le facteur d'anisotropie est ici égal 2,63 x 10 ³ .

Ceci ouvre la voie à un degré de liberté supplémentaire par rapport à la géométrie 3D des motifs. Par exemple, la gradation de potentiel pourrait se faire préférentiellement dans le plan des métallisations (dans un substrat métallisé) ce qui permet de garder la propriété diélectrique ou isolante dans l'épaisseur du substrat. Cette approche permet l'optimisation du développement d'un nanocomposite à matrice céramique incluant des multicouches de graphène (Ex. AiN - MCG), intégré dans les volumes de la pièce, affichant une anisotropie de conductivité électrique jamais égalée à ce jour. Cela est atteint grâce à une optimisation soignée de la production des multicouches de graphène par exfoliation du graphite. Une telle anisotropie est contrôlable et donne une conductivité avec deux principales composantes, une conductivité faible, proche de celle du substrat, dans une première direction et une conductivité élevée suivant une deuxième direction perpendiculaire à la première direction.