Réalisation de varistances sérigraphiées à base de ZnO pour des applications en électronique de puissance : influence des électrodes sur les propriétés électriques du composant de protection

par Marie-Pascale Martin

Thèse de doctorat en Sciences physiques et de l'ingénieur. Électronique

Sous la direction de Claude Lucat.

Soutenue en 2003

à Bordeaux 1 .


  • Résumé

    Des varistances en couches épaisses sérigraphiées à base de ZnO ont été développées dans le but de protéger des transistors de puissance IGBT contre des surtensions (VS > 600V). La technologie hybride couche épaisse présente de nombreux avantages : proximité du composant à protéger, choix aisé de géométrie, diminution des coûtsLa faisabilité de varistances planaires sérigraphiées sur alumine a été démontrée grâce à une étude systématique de paramètres d'élaboration tels que la granulométrie de la poudre de départ, le traitement thermique, le pressage ou l'épaisseur de la couche. Par ailleurs, l'étude approfondie du microassemblage électrode/ZnO/Al2O3 a mis en évidence : - la dégradation des caractéristiques électriques du microassemblage par modification de la composition des joints de grains au sein de la couche de ZnO, l'oxyde de Bismuth s'évaporant et/ou migrant dans le substrat lors de la cuisson de la couche varistance. - la restauration possible des propriétés non-linéaires des varistances sérigraphiées par l'utilisation d'encres d'électrodes appropriées, contenant nécessairement du Bi2O3. Cette régénération varie avec la géométrie des électrodes et leur température de recuit. Suivant la composition des encres d'électrodes et pour des tensions de seuil 0,5 <VS(kV) < 1, les valeurs du coefficient de non-linéarité a > 40 obtenues sont comparables à celles des céramiques massives de même composition. Placées dans des conditions réelles de fonctionnement, en parallèle avec un interrupteur de puissance IGBT (1200V/52A), puis soumises à des surtensions, les varistances sérigraphiées écrêtent la tension appliquée et protègent de ce fait le composant. Ces varistances (Vs # 500 V) présentent des tensions d'écrêtage inférieures à 1200V et peuvent dissiper des densités d'énergie pouvant atteindre 150 J/cm3.

  • Titre traduit

    Fabrication of ZnO-based screen printed varistors for applications in power electronics : influence of the electrodes on electrical properties of the protection component


  • Résumé

    Thick film screen-printed varistors based on ZnO powder were developped in the aim to protect IGBT power transistors against overvoltages (VS>600V). Hybrid thick film technology has many advantages : proximity of the component, easy choice of geometry or decrease of costs. Feasability of planar thick film screen-printed varistors was demonstrated with a systematic study of fabrication parameters like grain size of powder, firing cycle, mechanical pressure or film thickness. Furthermore, deepened study of the microassembly electrodes/ZnO/Al2O3 showed that : - Degradation of the electrical properties of the microassembly comes from the modification of the composition of grain junctions in ZnO film : bismuth oxide evaporates or migrates in the substrate when varistors are fired. - Restauration of electrical properties of thick film varistors is possible by using relevant electrodes inks which contains necessarily Bi2O3. This restauration depends on electrodes geometry or electrodes inks firing cycle. Depending on electrodes inks compositions and for breakdown voltages 0,5 <VS(kV) < 1, non-linearity coefficient a > 40 can be compared to those of massive components of same composition. For tests in real conditions, in parallel with an IGBT power transistor (1200V/52A) and submitted to overvoltages, screen-printed varistors clamp the applied voltage and so, protect the component. This varistors (Vs # 500 V) have clamping voltages inferior to 1200V and can dissipate energy density as great as 150 J/cm3.

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Informations

  • Détails : 156 p.
  • Notes : Reproduction de la thèse autorisée
  • Annexes : Notes bibliogr. Annexes

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  • Bibliothèque : Université de Bordeaux. Direction de la Documentation. Bibliothèque Sciences et Techniques.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : FTA 2761bis
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