Synthèse, caractérisation et évaluation thermique d'une nouvelle génération de matériaux céramiques métallisés

Synthesis, characterisation and thermal evaluation of a new generation of metalised ceramic materials

• Auteur / Autrice : Zeinab Harajli
• Direction : Damien Fabrègue, Ziad Herro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 28/02/2022
• Etablissement(s) : Lyon en cotutelle avec Université Libanaise
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science - UMR 5510 (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Bernard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Damien Fabrègue, Ziad Herro, Frédéric Bernard, Marie Abboud, Aurélien Bruyant, Maher Soueidan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie Abboud, Aurélien Bruyant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nitrure d'aluminium

Matériaux céramiques

Matériaux -- Propriétés thermiques

Mots clés libres

Matériau

Céramique métallisée

Dépôt laser pulsé

Dissipateur thermique

Nitrure d'aluminium - AlN

Substrat céramique métallisé

Cuivre

Diffusivité thermique

Imagerie

Déviation du faisceau photothermique MID-IR

Métallisation

Performance thermique

Electronique de puissance

Materials

Metalised ceramic

Pulsed laser deposition

Heat Sink

Aluminium nitride

Metallized ceramic substrat

Copper

Thermal diffusivity

Imaging

MID-IR photothermal beam deflection

Metallizing

Thermal performance

Power Electronics

Résumé

Une gestion thermique efficace est souvent considérée comme une étape clé vers un système technologique réussi. L'élimination rapide de l'excès de chaleur, des systèmes électroniques exposés à des températures extrêmes, améliore la fiabilité et empêche la défaillance prématurée de ces systèmes. De nos jours, les approches habituelles, pour évacuer la chaleur et maintenir le système à une température souhaitée, consistent à utiliser un dissipateur thermique à semi-conducteur ou un système complexe de contrôle de vitesse de ventilateur qui repose sur une mesure continue de la température. Cependant, l'optimisation d'un dissipateur thermique à semi-conducteur très efficace nécessite le contrôle de diverses propriétés intrinsèques et extrinsèques à différentes échelles, car le flux thermique macroscopique et le transport de chaleur dépendent des propriétés vibrationnelles microscopiques. En outre, l'utilisation généralisée de dissipateurs thermiques à semi-conducteurs hautement efficaces nécessite la capacité de les métalliser et de former des structures multicouches. En raison de ses vitesses de groupe de phonons élevées, le nitrure d'aluminium (AlN) semble être l'un des meilleurs candidats pour la fabrication de dissipateurs thermiques à semi-conducteurs efficaces. Dans cette thèse, nous avons comme objectif de développer une nouvelle technologie d’un substrat à base de la structure Métal/AlN/Métal à haute diffusivité thermique pour des applications à haute température (>300°C). Cette thèse vise à développer des technologies d'électronique de puissance hautement efficaces, intégrées et fiables fonctionnant à haute température pour l'automobile, l'aéronautique et l'énergie. Dans un premier temps, nous avons élaboré des films minces de molybdène pour métalliser le nitrure d'aluminium et synthétiser nos nouveaux substrats de dissipateur thermique pour les modules de puissance. Ensuite, nous avons optimisé les dispositifs établis en étudiant leurs propriétés physico-chimiques et en mettant l'accent sur leurs performances thermiques. Enfin, nous avons étudié les performances des échantillons en utilisant une imagerie souterraine et tout en augmentant la température afin de surveiller la formation de défauts. La caractérisation thermique et l'imagerie souterraine des échantillons ont été effectuées à l'aide de notre nouvelle configuration de déviation de faisceau photo-thermique, dans laquelle nous installons un laser IR pour chauffer les échantillons et qui génère des bosses thermiques qui sont mesurées par des faisceaux de sonde déviant à différents endroits de l'échantillon.

Efficient thermal management is often considered a key step towards a successful technological system. The fast removal of excess heat from electronic systems exposed to temperature extremes improves the reliability and prevents the premature failure of these systems. Nowadays, the usual approaches to evacuate heat and maintain the system at the desired temperature consist in using a semiconductor heat sink or a complex fan speed control system that relies on continuous temperature measurement. However, the optimization of a highly efficient semiconductor heat sink requires the control of diverse intrinsic and extrinsic properties at different scales because the macroscopic thermal flow and heat transport depend on microscopic vibrational properties. Besides, widespread use of highly efficient semiconductor heat sinks requires the ability to metalize them and form multilayer structures. Due to its high phonon group velocities, Aluminium Nitride (AlN) appears to be one of the best candidates for the manufacturing of efficient semiconductor heat sinks. In this PhD. thesis work, we intend to develop a new substrate technology Metal/AlN/Metal structures with high thermal diffusivity for integrated power systems for high-temperature applications (>300°C). This PhD. Aims at developing highly efficient, integrated and reliable power electronics technologies operating at high temperatures for automotive, aeronautic, and energy applications.