Etude des matériaux

Application des liquides et des gaz à l'isolation électrique

    Matériaux isolants fluides bio-dégradables / Mélange de gaz CF3I-N2  pour l'isolation moyenne et haute tension :
Avec le soutien d'une ANR « REDUGES » en collaboration avec AREVA, une thèse concernant les propriétés des liquides bio-dégradables et les mélanges gazeux avec de nouveaux gaz comme le CF3I  est en cours. 

    Gels isolants, application à l'isolation de semiconducteurs de puissance (IGBT). Une prolongation des essais de diagnostic optique sur semi-conducteurs enrobés de gels a été également entreprise avec la société Alstom Transport. Les essais seront étendus au cas des composants IGBT haute tension (6,5kV), et l'influence de la température sur les processus de vieillissement du gel sera étudiée. D'une manière générale, les relations avec l'équipe Electronique de Puissance seront intensifiées, avec une approche concertée des problèmes de vieillissement des composants, regroupant les activités passées des deux laboratoires dans ce domaine.

    Optimisation diélectrique des GIS (postes blindés à isolation gazeuse). L'étude proposée concerne les problèmes d'isolation  métal/gaz/solide :point tripleapparaissant dans les zones de  génération de décharges partielles, accumulation de charge à la surface du support isolant, vieillissement accéléré de cet isolant. L'objectif de ce travail est d'atteindre une compréhension fine des phénomènes et de développer un outil de modélisation en vue d'améliorer les performances par rapport au seuil de déclenchement des décharges partielles et à la tenue aux surtensions temporaires. Une collaboration avec la société AREVA dans le cadre d'une thèse CIFRE est en cours.

 Solides diélectriques pour le génie électrique: mécanismes de conduction, vieillissement, et applications à l'isolation

Mécanismes de vieillissement des matériaux dans les applications. Dans ces travaux, l'évolution consiste à prendre davantage en considération l'évolution de la structure physico-chimique du matériau dans son environnement. Dans ce cadre, deux thèses CIFRE ont démarré en 2004 et 2005 avec EDF et Schneider Electric. Il s'agit dans les deux cas de composites à base de résines époxydes, avec une exposition à l'air à forte température renforçant l'oxydation, et l'influence de l'humidité. Les propriétés électriques des matériaux seront suivies en corrélation avec leurs propriétés physico-chimiques. Ces travaux nécessitent des investissements conséquents dans les méthodes d'analyse physico-chimique, ainsi que l'établissement de collaborations avec des laboratoires spécialistes de ce domaine.
Le point précédent sera complété par une approche de simulation multiphysique pour offrir dans un premier temps un support de compréhension des phénomènes mis en jeu, puis de proposer à terme des modèles de vieillissement couplés électrique/thermique/mécanique. Cette démarche a été jusqu'à présent appliquée aux procédés de mesures des charges électriques piégées dans de tels matériaux. Une des difficultés est la prise en compte des additifs de renfort (minéraux) très souvent ajoutés à la matrice polymère. Leur influence sera étudiée des points de vue mécanique, électrique et thermique. Dans le même contexte, afin de mieux caractériser et expliquer les phénomènes d'injection, des matériaux « modèles » seront étudiés, avec une plus grande prise en considération de l'interface métal-isolant (nature et rugosité de l'électrode, traitement de surface du polymère). La mise en place sur le dispositif de mesures de charges d'espace d'une alimentation alternative haute tension à fréquence variable (10-4 à 100 Hz) contribuera à ces développements.


    Matériaux chargés de nanoparticules. Un autre développement concerne l'analyse des propriétés diélectriques de polymères incorporant des charges de renfort de taille nanométrique. Les travaux menés ces dernières années ont montré le gain obtenu sur l'augmentation des propriétés mécaniques de polymères incorporant des charges nanométriques. En ce qui concerne les propriétés diélectriques, l'effet des contraintes électriques, thermiques et climatiques reste encore très mal connu.

 Couches minces diélectriques et applications à l'électronique

    Matériaux à forte permittivité pour l'intégration de capacités en microélectronique et électronique de puissance. La complexification des applications envisagées en microélectronique nécessite des fonctions électroniques de plus en plus denses et la miniaturisation des circuits embarqués nécessite également d'intégrer les composants passifs. La possibilité de pouvoir intégrer des capacités MIM (métal-isolant-métal) avec des matériaux à forte permittivité permettrait de satisfaire une partie de ces objectifs. Nous avons démarré en 2004 plusieurs études dans ce domaine :
- élaboration et caractérisation de couches minces de BaTiO3 pour capacités de circuits imprimés. Ce travail s'effectue dans le cadre d'une thèse (bourse AUF) ;
- propriétés diélectriques et électriques de couches minces MIM à base de pérovskites (SrTiO3 principalement). Ce travail, réalisé dans le cadre d'une thèse (bourse de mobilité de la région Rhône-Alpes) est menée en partenariat avec le CEA-LETI pour la fourniture des composants ;
- analyse physique et électrique de couches minces de Ta2O5 pour une intégration dans une électronique embarquée. Ce travail est réalisé dans le cadre d'une thèse CIFRE en partenariat avec STMicroelectronics.
Les matériaux à forte permittivité présentent des enjeux également en électronique de puissance (capacités intégrées à forte densité de puissance). Ces matériaux ont des comportements électriques plus proches de ceux utilisés en génie électrique que ceux communément rencontrés en microélectronique. Nous développerons l'utilisation de méthodologies du génie électrique au service des isolants appliqués à l'électronique de puissance et à la microélectronique.
    Couches minces de nanocomposites métal/carbone. La dispersion de particules métalliques de taille nanométrique dans une matrice diélectrique conduit à des propriétés physiques pouvant être mises à profit dans de nombreux domaines d'applications. Une étude récente a montré que la constante diélectrique peut atteindre 100 avec 3 % de particules de molybdène dans une matrice de carbone amorphe, et supérieure à 1000 avec 11 % de particules d'argent dans une matrice époxy. Ces matériaux intéressent le domaine de la microélectronique pour l'intégration de capacités, l'encapsulation, et les circuits imprimés. L'avantage de la matrice de carbone est d'éviter le recours à des céramiques ferroélectriques (type PZT ou BST) peu compatibles avec la technologie silicium et les matériaux polymères d'encapsulation. Elle possède une bonne conductivité thermique et un champ de claquage élevé laissant envisager des applications haute tension, par exemple en électronique de puissance. Ces matériaux posent de nombreuses questions fondamentales (compréhension de l'effet de la taille des agrégats et de leur répartition).
    Caractérisation et vieillissement hydrothermique de couches minces diélectriques. L'objectif de ce thème est d'analyser les mécanismes de relaxation responsables des évolutions des propriétés diélectriques (permittivité et pertes) et l'apparition de courants de fuite dans des matériaux :
- à faible permittivité utilisés pour l'isolation entre lignes dans des technologies "cuivre dual damascène" (SiOCH, etc.) ;
- à forte permittivité utilisés comme isolant de grille des transistors à effet de champ (exemple : HfO2, Ta2O5) et pour l'intégration de capacités de forte valeur ;
- utilisés pour l'encapsulation de circuits intégrés (exemples : époxydes, ...).
La volonté de développer ce thème vient de l'absence d'études exhaustives sur les propriétés de ces nouveaux matériaux. Les caractéristiques disponibles se limitent souvent à une valeur donnée pour une seule fréquence à température ambiante. Très peu d'informations sont disponibles sur l'évolution temporelle des courants de fuite et sur la réponse à des contraintes hydrothermiques.