WO2020152284A1 - Process for manufacturing a ceramic-matrix composite part, and corresponding composite part and electrical component - Google Patents

Process for manufacturing a ceramic-matrix composite part, and corresponding composite part and electrical component Download PDF

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WO2020152284A1
WO2020152284A1 PCT/EP2020/051659 EP2020051659W WO2020152284A1 WO 2020152284 A1 WO2020152284 A1 WO 2020152284A1 EP 2020051659 W EP2020051659 W EP 2020051659W WO 2020152284 A1 WO2020152284 A1 WO 2020152284A1
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substrate
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sintering
composite part
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PCT/EP2020/051659
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Driss KENFAUI
Marie-Laure LOCATELLI
Zarel VALDEZ NAVA
Lionel LAUDEBAT
Vincent Bley
Pascal Dufour
Sophie Guillemet
Christophe TENAILLEAU
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Universite Toulouse Iii - Paul Sabatier
Centre National De La Recherche Scientifique
Institut National Universitaire Jean-François Champollion
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    • H01L2924/19107Disposition of discrete passive components off-chip wires

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a part made of composite material.
  • One field of application of the invention is the manufacture of electrical components.
  • the invention applies more generally, but not exclusively, to electronic, power electronics or electrical engineering systems intended for the conversion, distribution or transport of high voltage electrical energy (such as power converters, high voltage transformers, isolating gas switches, high voltage connectors, elements for high voltage transmission, high voltage cables whether in DC ("Direct Current”) or AC ("Alternative Current” »), The bus-bars, for example).
  • electrical component in this document must be interpreted in the broad sense and can correspond equally well to an electrical or electronic module, an electrical or electronic circuit, a printed circuit of the PCB type, an electrical or electronic card, an electronic component, an electrical connector, an electrical cable, etc. More generally, the invention can be applied to any element with electrical or electronic functionality provided with electrical contacts intended to be surrounded by an electrical insulator.
  • Industrial ceramics constitute a set of advanced materials, used in a very wide variety of applications ranging from the field of electronics to that of space. They have multiple and varied functional properties (electrical, magnetic, thermal, optical, etc.), good mechanical properties and / or excellent thermal and chemical stability, associated with low density.
  • the local control of the properties, in one or more parts, of a ceramic is crucial to give it the capacity to fulfill more technological functions and / or to reinforce its mechanical resistance.
  • a component frequently used in energy conversion systems for rail transport is the power module with IGBT chips (for "Insulated Gâte Bipolar Transistor” or insulated gate bipolar transistor), as shown in Figure 1.
  • IGBT chips for "Insulated Gâte Bipolar Transistor” or insulated gate bipolar transistor
  • Its structure consists of a stack of different elements.
  • One or more IGBT chips 1 are soldered onto an insulating substrate 2 comprising an electrically insulating layer 21 (based on a ceramic material) which is covered on its lower and upper faces with a metallic electrical contact 22 and 23 (metallization).
  • the substrate 2 is a metallized ceramic substrate (Type AI203, Si3N4, AIN) called DBC (for “Direct Bonding Copper”) or AMB (for “Active Metal Brazing”) due to the process by which the metallization is carried out.
  • DBC for “Direct Bonding Copper”
  • AMB for “Active Metal Brazing”
  • this substrate is placed on a support 5 made of copper or AlSiC.
  • the different elements of the module are assembled and covered with a layer of electrically insulating material 3 (encapsulant, most often a silicone gel or an epoxy resin), then enclosed in a plastic case 6.
  • the module is then fixed to a system of cooling the lower face of the module (not shown), in order to dissipate the heat produced by the chips in operation, then connected by conductors to the rest of the electrical circuit (actuators, sources, etc.).
  • the strengthening of the electric field localized in the insulators in the vicinity of this sensitive point exists and can lead to the formation of partial electric discharges, sometimes manifesting in the form of electrical trees, the repetition of which degrades the encapsulation material 3, leading to premature aging of the module, as well as reliability problems, or a limitation of the voltage withstand.
  • the field reinforcement is also strongly linked to the geometry of the edges of the contacts which are obtained after etching and amplifies the non-uniformity of the electric field in the insulating materials.
  • a known solution With a view to increasing voltage and / or integrating power electronics while maintaining high voltage constraints, a known solution, described in patent document WO 2015/074431, and illustrated in FIG. 3, consists in depositing a thin layer of semi-resistive varnish 4 based on hydrogenated amorphous silicon on the ceramic layer 21 at the interface with the encapsulation material 3 from the upper electrical contact 22 to the lower electrical contact 23.
  • This semi-resistive varnish layer 4 makes it possible to reduce the risk of partial discharges located around the electrical contacts.
  • such a solution requires the use of plasma deposition equipment which is expensive and difficult to read.
  • the masking of certain elements sensitive to within the structure is relatively complex in view of the variation of the structural elements that can compose it.
  • a substrate made of a first material, said first material being a ceramic or a ceramic matrix composite, and
  • each of said three-dimensional volumes being made of a second material which is a ceramic or a ceramic matrix composite having a predefined electrical conductivity, permittivity and thermal conductivity, said three-dimensional volumes being made up of the same ceramic or the same ceramic matrix composite or else different ceramics or ceramic matrix composites,
  • the second material can also have predefined mechanical properties.
  • the invention relates to a method of manufacturing a reliable composite part made of a heterogeneous ceramic comprising several (two or more) areas of one. ceramic and / or a ceramic matrix composite having controlled properties and three-dimensional geometry.
  • composites with a ceramic matrix are characterized by a set of carbonaceous or ceramic or metallic particles which are incorporated into a ceramic matrix.
  • the method of manufacturing a part incorporating several volumes comprising the same material or different materials is advantageous in the sense that the steps of the latter are simple to implement, sintering (flash for example) allowing in particular densification and 'simultaneous assembly of two or more different materials, elaboration in a single step and the implementation of a single thermomechanical cycle.
  • the composite parts manufactured exhibit controlled properties and geometries, good mechanical strength, a high density of up to 99% and a very high degree of reproducibility, up to 100%.
  • the proposed manufacturing process is efficient, reliable, simple and fast, but also economical in terms of time and energy.
  • thermomechanical stresses at the 3D interfaces between the substrate and the volumes which are integrated therein during the manufacture of the composite part. This minimization of stresses involves the development of the material (s) constituting the volumes having a coefficient of thermal expansion similar to that of the substrate.
  • the manufacturing process comprises a step of depositing a layer made of the first material so as to cover and embed the second preforms in the first preform.
  • the preforms are obtained by the same technique or different techniques chosen from the techniques of extrusion, pressing of cast strips, deposition by screen printing, deposition by ink jet and additive manufacturing processes.
  • the preforms are obtained by compacting powder.
  • the manufacturing process comprises the following steps:
  • the sintering of the first preform and of the second preforms consists of conventional sintering, such as natural sintering, under load sintering (HP) or isostatic sintering, or in unconventional sintering, such as flash sintering (SPS), laser sintering or microwave sintering.
  • conventional sintering such as natural sintering, under load sintering (HP) or isostatic sintering
  • unconventional sintering such as flash sintering (SPS), laser sintering or microwave sintering.
  • a substrate made of a first material, said first material being a ceramic or a ceramic matrix composite, and
  • each of said three-dimensional volumes being made of a second material which is a ceramic or a ceramic matrix composite having a predefined electrical conductivity, permittivity and thermal conductivity,
  • said three-dimensional volumes consisting of the same ceramic or of the same ceramic matrix composite or else of different ceramics or ceramic matrix composites.
  • said three-dimensional volumes are arranged on one face of said substrate.
  • said three-dimensional volumes are arranged within said substrate.
  • the first material is composed of a mixture of AlN with Xi% m Y 2 0 3 and x 2 % m CaF 2
  • the second material being composed of a mixture of AlN with Xi % m Y 2 0 3 and x 2 % m CaF 2 and y vol.% MCG (multilayers of graphene) or of another carbonaceous material, or of a metal disulfide such as MoS 2 , MXS 2, WS 2 with 0 , 5 ⁇ Xi ⁇ 6 m%, 1 ⁇ x 2 ⁇ 7 m% and 0.01 ⁇ y ⁇ 10 vol.%.
  • the first material is composed of a mixture of AlN and sintering additions and the second material is composed of:
  • the first material is composed of Al 2 0 3 and the second material is composed:
  • the metal disulfide can be MoS 2 , or WoS 2 or MxS 2 .
  • the first material is composed of Si 3 N 4 or of SiAION and the second material is composed:
  • the metal disulfide can be MoS 2 , or WoS 2 or MxS 2
  • the invention further relates to an electrical component comprising such a composite part.
  • the electrical component takes the form of an electronic power module, said composite part constituting the insulating substrate of said power electronic module, said three-dimensional volumes arranged in said substrate of said composite part having an electrical conductivity and a permittivity different from those of said substrate so as to reduce the electrical stress in the insulating substrate.
  • Such an electrical component uses a substrate, in the form of a composite part, with a locally modified conductivity, only at the levels of the integrated volumes.
  • Such an electrical component can take the form of an electronic power module, said composite part constituting the ceramic substrate insulating said module.
  • the method of the invention makes it possible to improve the performance of high voltage power modules for the conversion of electrical energy, in particular in terms of voltage withstand and reliability, by localized action on the electrical conductivity. of the metallized ceramic substrate.
  • the method makes it possible to reduce the level of the electric field at the level of the triple point by a spreading of the potential lines by intervention in the ceramic substrate (in aluminum nitride (AIN) for example), and in particular by the implementation of several three-dimensional volumes, called pockets, in which the chemical composition and the properties of the ceramic substrate are partially or entirely modified.
  • AIN aluminum nitride
  • These pockets are arranged in areas of the ceramic substrate where unwanted electric field enhancements can appear when the component is energized.
  • the method of the invention offers a simple and effective solution based on a targeted adjustment of the dielectric permittivity profile and / or of the electrical conductivity of the composite material forming the ceramic substrate of a high voltage power module.
  • the composite material obtained therefore has a dielectric permittivity and / or electrical conductivity profile reducing the electric field reinforcements, sources of partial discharges within the electrical component in operation.
  • the treatment method according to the invention therefore makes it possible to guarantee better voltage resistance of the electrical component and consequently an increased lifetime or a range of applications extended to higher voltage applications.
  • the three-dimensional volumes of such an electrical component are obtained by SPS sintering or sintering under load and have an electrical conductivity in the plane perpendicular to the pressing axis greater than the electrical conductivity in the plane parallel to the pressing axis.
  • the ratio of electrical conductivities, called anisotropy factor, in the planes parallel and perpendicular to the pressing axis is between 25 and 10 12 .
  • FIG. 3 already described in relation to the prior art, presents a known technique for reducing the formation of partial discharges in a power module such as that presented in relation to FIGS. 1 and 2;
  • FIG. 5 illustrates various examples of composite parts that can be obtained by the method of the invention for which the three-dimensional volumes are arranged on one face of the substrate;
  • FIG. 7 illustrates an example of temperature (a) and pressure (b) cycles of the sintering step implemented during the manufacture of a composite part according to the invention, and in particular in the solution particular described in relation to Figures 6A to 61;
  • FIG. 8A is a schematic sectional view illustrating a high voltage power module in which the invention is implemented
  • FIG. 8B is a schematic sectional view illustrating another high voltage power module in which the invention is implemented.
  • FIG. 8C is a schematic sectional view illustrating yet another high voltage power module in which the invention is implemented.
  • FIG. 9 illustrates the distribution of the electric field and of the equipotentials for a reference structure of a power module
  • FIG. 10 illustrates the distribution of the electric field and of the equipotentials for a structure of a power module with ceramic substrate integrating a "pocket" zone with controlled electrical conductivity under the triple point, illustrated in FIG. 8B;
  • FIG. 11 represents the values of the maximum electric fields in the three zones (ceramic, modified ceramic pocket and silicone gel) as a function of the electrical conductivity in the pocket integrated in the ceramic of the structure of FIG. 10;
  • FIG. 12 shows, for a structure of a ceramic incorporating a pocket (such as Figure 8B), the values of the maximum electric fields as a function of the variation of the conductivity s of the pocket and of the frequency of the sinusoidal voltage d 'food;
  • FIG. 13 a illustrates a composite part for which a single three-dimensional volume is placed within the substrate
  • FIG. 14 is a simplified block diagram showing the different steps of the manufacturing process of a composite part according to the invention.
  • FIG. 15 is a simplified block diagram showing the various steps of the particular manufacturing process of a composite part for which the three-dimensional volume (s) are placed within the substrate;
  • FIG. 16 shows a composite part to illustrate the value ranges relating to the dimensions of the composite part for the general case and the case of the example of power electronics;
  • FIG. 17 shows a composite part according to the invention to illustrate the value ranges relating to the dimensions of the composite part for the general case and the case of the example of power electronics;
  • - Figure 18 illustrates the directions parallel and perpendicular to the pressing axis of a composite part according to the invention obtained by SPS sintering
  • - Figure 19 illustrates the anisotropy of the electrical conductivity of a composite part according to the invention and obtained by SPS sintering, in the directions parallel and perpendicular to the pressing axis.
  • the inventors have implemented an original process allowing the development of a composite part consisting of a substrate (a functional, homogeneous or heterogeneous monolithic ceramic, or a composite with a ceramic matrix) provided with one (or more) volume (s). ) with controlled properties.
  • FIG. 4 illustrates various examples of such a composite part 11 which in this case comprises a substrate 111 made of material or compound A integrating a three-dimensional volume 112 (examples referenced a, d and g) or, in accordance with the invention, several three-dimensional volumes 112 (examples referenced b, c, d, e, f, h, i) each made up of a material or compound distinct from material A.
  • These three-dimensional volumes 112 may be of the same chemical composition (examples referenced b, e, f, h, i) or of different chemical compositions (example referenced c).
  • FIG. 5 illustrates other examples of such a composite part 11 which comprises a substrate 111 made of material A integrating several three-dimensional volumes 112 each made up of a material B, C, D, E or F distinct from material A.
  • the materials A to F can be monolithic or composite ceramics.
  • these three-dimensional volumes 112 can take the form of a cylinder or a cube. They can in a variant take the form of a sphere or else take other geometric shapes depending on the envisaged application. It should be noted that different shapes of patterns can be produced including compounds / materials distinct from each other with more complex geometric shapes in surface and in volume than those presented in Figures 4 and 5.
  • examples a), b) and d) to i) of FIG. 4 illustrate ceramic parts provided with one or more volumes of composite B with different controlled three-dimensional geometries.
  • Examples c) of figure 4 and a) to d) of figure 5 illustrate ceramic parts provided with several (two or more) volumes of different composites with a ceramic matrix with a controlled three-dimensional geometry.
  • FIGS. 13 b) and c) illustrate various examples of composite parts in accordance with the invention for which the three-dimensional volumes are arranged within the substrate.
  • a single three-dimensional cylindrical volume 112 made of material B extends inside the cylindrical substrate 111 made of material A.
  • the method developed by the inventors allows three-dimensional integration of these volumes 112 in the substrate 111 with a geometry that is also controlled.
  • the chemical composition of the three-dimensional volumes 112 is adjusted so as to achieve the desired properties on the one hand and to establish reliable three-dimensional (3D) interfaces between the integrated three-dimensional volumes 112 and the substrate 111, on the other hand.
  • Each three-dimensional volume 112 can be obtained by partially or entirely modifying the chemical composition of the substrate 111.
  • the production of a composite part 11 therefore requires the development of the material (s) which constitute the three-dimensional volumes 112 and their integration in volume into the substrate 111.
  • the choice of the constituent elements of this material (B , C, 7) is not only decisive in providing the composite part 11 with the functions technological requirements, but it is also subject to several technological criteria decisive for a reliable integration of this material.
  • the material or compound of an integrated three-dimensional volume 112 must:
  • the substrate 111 must act as a diffusion barrier for the constituent elements of the integrated materials or compounds and vice versa. This makes it possible to avoid or at the very least limit the progressive degradation of the functional properties of the materials (A, B, etc.) and consequently to preserve the functioning or the technological functions of the composite part 11;
  • CDT coefficient of thermal expansion
  • the manufacture of a composite part 11 also requires the prior determination of the shrinkage after sintering of each of the materials, in particular of the material or compound B (composite with ceramic matrix) integrated in the material A (ceramic), in order to control the dimensions. and the geometry of the pattern to be integrated into the substrate 111 of material A.
  • the main steps of the manufacturing process of a composite part such as those illustrated in FIGS. 4, 5 and 13.
  • This composite part can comprise one or more three-dimensional volumes at the sides of FIG. controlled electrical and / or thermal and / or mechanical properties.
  • a composite part 11 is produced consisting of a heterogeneous substrate 111 made of material A (AIN + Xi% m Y 2 0 3 + x 2 % m CaF 2 ) incorporating a three-dimensional volume 112 made of material B (AIN + Xi% m Y 2 0 3 + x 2 % m CaF 2 + y vol.% MCG), with 0.5 £ Xi £ 6 m%, 1 ⁇ x 2 ⁇ 7 m% and 0.01 £ y £ 10 vol.% (in percentage of mass m% or volume vol.%).
  • a first PI preform is made consisting of the first material A and intended to form the substrate 111, and at least one hollow imprint is obtained on one face of said first PI preform, each hollow imprint being configured to delimit a three-dimensional volume 112.
  • Said at least one hollow cavity is then completely or partially filled (S31) with the second material B so as to produce at least one second preform P2 forming at least one three-dimensional volume 112, then the first preform PI is assembled (S33) and the second preform or second P2 by sintering so as to obtain the composite part 11.
  • a step of leveling off a surplus of material B can be implemented.
  • FIGS. 6A to 61 The main steps of a particular process, by powder compacting, for manufacturing a composite part, such as those illustrated in Figures 4 and 5, are described below with reference to FIGS. 6A to 61.
  • a powder of a first material A is loaded into a graphite mold 30 of diameter equal to 20 mm as illustrated in FIG. 6A.
  • the mold 30 has an internal shape corresponding to the shape of the part to be obtained (cylindrical in the present case).
  • a graphite sheet was previously placed on the internal wall of the die and above the graphite piston 31 in order to avoid any reaction between the enclosure and the first material A.
  • a uniaxial cold pressure (FIG. 6C) is applied to the cavity piston 32 so as to compact the powder of material A and etch a hollow cylindrical EM imprint (with a diameter equal to 14 mm and d thickness "e" equal to 600 ⁇ m) in the preform PI (FIG. 6D).
  • the shape of the hollow EM imprint is given by that of the piston 32 and defines a three-dimensional volume of the composite to be obtained.
  • the preform P2 is then made, made of a second material B, above the preform PI. Note that the electrical conductivity o A of material A is lower than the electrical conductivity o B of material B.
  • the powder of material B is poured onto the preform PI in the mold 30 so as to fill the hollow EM cavity and cover the entire upper face of the preform PI (FIG. 6E).
  • a second graphite piston 33 is then introduced above the powder of material B to close the mold 30 and a uni-axial cold pressure is applied to this piston 33 (FIG. 6F). This makes it possible to compact the powder of material B and to obtain the preform P2.
  • the flash co-sintering (“SPS” for “Spark Plasma Sintering”) of the preforms PI and P2 (FIG. 6G) is then carried out in a controlled atmosphere at a temperature T Sp s of between 1550 and 1850 ° C. for a period t SP s preferably between 1 and 20 minutes under a pressure P SP s between 30 to 100 MPa with a rise and / or fall in temperature vc between 30 to 200 ° C / min.
  • T Sp s of between 1550 and 1850 ° C.
  • t SP s preferably between 1 and 20 minutes
  • P SP s between 30 to 100 MPa with a rise and / or fall in temperature vc between 30 to 200 ° C / min.
  • the preforms PI and P2 are under pressure from the upper piston 33 and the lower piston 31.
  • Particular temperature and pressure cycles (a) and (b) of this sintering step are illustrated in Figure 7.
  • the SPS technology combines, simultaneously, the application of a high uniaxial pressure and high intensity direct current pulses causing an almost immediate and uniform temperature rise.
  • the most important parameter for the SPS sintering process is the sintering temperature.
  • the two preforms to be assembled may be of the same ceramic or else each of the parts to be assembled may be of a different ceramic (which is the case here).
  • the surfaces to be assembled are then brought into contact without any addition of any kind being placed between these surfaces. Pressure contact is established between the two facing surfaces to be assembled. Then, while maintaining the pressure, a pulsed electric current is applied to said preforms so as to raise the temperature of the preforms. In other words, when everything is in contact, an electric current is generated in order to create the temperature rise.
  • the flash sintering treatment allows not only the co-sintering of the two preforms PI and P2, but also the welding of the latter to obtain a single dense composite part (FIG. 6H).
  • the assembled preforms are extracted and the depth of the pattern after sintering and the amount of material B to be removed are then evaluated.
  • the second preform P2 is then rectified, preferably by polishing, consisting in removing the part of the second preform P2 located above said face of the first preform PI without removing the other part of the second preform forming a three-dimensional volume disposed in the first preform.
  • a composite part 11 of good mechanical strength is obtained (FIG. 61) having a substrate 111 provided with a cylindrical volume 112 at its center, this volume consisting of the composite with controlled electrical and thermal conductivities. It will be understood that these steps are also implemented when several three-dimensional volumes are placed in the first preform.
  • This composite part 11 produced by co-sintering the two preforms PI and P2 is obtained by applying a single thermomechanical cycle, which represents a significant saving in terms of time and energy. Observation with an optical microscope revealed the absence of cracks at the interfaces of materials A and B (the TDCs of ceramics are similar) suggesting the presence of low thermomechanical stresses, much lower than the breaking stress of materials A and B, nor diffusion of material B to material A.
  • the manufacturing process comprises the following steps illustrated in FIG. 15.
  • a first PI preform is made consisting of the first material A and intended to form the substrate 111, and at least one hollow imprint is obtained on one face of said first PI preform, each hollow imprint being configured to define a three-dimensional volume 112.
  • Said at least one hollow cavity is then completely or partially filled (S31) with the second material B so as to produce at least one second preform P2 forming said at least one three-dimensional volume 112.
  • the method then comprises a step (S32) of depositing a layer of first material A so as to cover and embed said at least one second preform P2 in the first preform PI, then the first preform PI and said preform are assembled (S33). at least a second preform P2 by sintering so as to obtain the composite part 11.
  • the flash co-sintering of the preforms PI and P2 is carried out in a controlled atmosphere at a temperature T SP s between 1550 and 1850 ° C for a period t SP s preferably between 1 and 20 minutes under a pressure P SP s between 30 to 100 MPa with a rise and / or fall in temperature vc between 30 to 200 ° C / min, for a PI preform made of material A (AIN + x 4 % m Y 2 0 3 + x 2 % m CaF 2 ) and a P2 preform made of material B (AIN + x 4 % m Y 2 0 3 + x 2 % m CaF 2 + y vol.% MCG with 0.5 £ Xi £ 6 m%, 1 £ x 2 £ 7 m% and £ y £ 10 vol.% (As a PI preform made of material A (AIN + x 4 % m Y 2 0 3 + x 2 % m CaF
  • the sintering of the PI and P2 preforms can be obtained, in a variant, by conventional sintering, such as natural sintering or under load (called “HP” for "Hotpressing” in English), or isostatic sintering, or unconventional sintering, such as flash sintering (SPS), or laser sintering, or microwave sintering.
  • conventional sintering such as natural sintering or under load (called “HP” for "Hotpressing” in English
  • HP natural sintering or under load
  • SPS flash sintering
  • laser sintering or microwave sintering.
  • the methods for producing the preforms PI and P2 may be different from that described above, consisting of powder compacting.
  • the PI and P2 preforms can be obtained by the same technique or by different techniques (hybrids) chosen from the techniques of extrusion, pressing of cast strips (polymer / ceramic composite), deposition by screen printing, deposition by jet. ink and any additive manufacturing technique.
  • the invention is of course not limited to this example (geometries and / or properties), nor to this particular field of application of power electronics.
  • This method makes it possible to improve the performance of high voltage power modules for the conversion of electrical energy in terms of voltage withstand by localized action on the electrical conductivity and permittivity of the metallized ceramic substrate.
  • a power module consists of two main insulating materials: the ceramic substrate (Type Al 2 0 3 , Si 3 N 4 , AIN) and the encapsulating medium (most often a silicone gel or an epoxy resin).
  • the interface of these two insulators is one of the weak points of the power module, and more precisely the junction between the substrate, the metallization and the encapsulation which is a zone of increase of the electric field.
  • This reinforcement zone constitutes a critical point of the insulation system where the electric field is the highest.
  • the invention makes it possible to act by reducing the level of the electric field at the triple point by a spreading of the potential lines. This spreading is obtained by acting on the electrical conductivity by incorporating a conductive additive in the ceramic material forming the substrate.
  • the invention consists in locally modifying the properties of the ceramic material at the level of the triple point by controlling the electrical conductivity and permittivity in several predefined three-dimensional geometric zones.
  • Figure 8A, 8B and 8C Three implementations are proposed in Figure 8A, 8B and 8C, the first using a striped modified conductivity layer on the substrate (Figure 8A), the second in which a modified electrical conductivity pocket is located under each triple point (Figure 8B), and the third in which said modified ceramic pocket is integrated under each triple point and extends under the metallization and not only at the edges (FIG. 8C).
  • Each of these pockets corresponds to a three-dimensional volume obtained according to the method described above.
  • the first ceramic material A is, for example, based on aluminum nitride (AIN).
  • a conductive additive (called a conductive addition) making it possible to locally modify the electrical properties of the material so as to provide one or more pockets of ceramic material B - here modified AIN ( electrically) -, but also to propose an adapted object geometry and to shape the modified AIN / AIN assembly using a sintering method (flash for example) described in detail previously.
  • the process for producing composite parts makes it possible to manufacture a heterogeneous AIN ceramic substrate integrating in volume one or more pockets with controlled electrical and thermal properties.
  • the approach of the invention consists in acting on the properties of the ceramic and makes it possible to give the ceramic substrate new properties at the heart of the latter.
  • Material B includes AIN aluminum nitride which is modified by incorporating: - a sintering additive to promote sintering in the liquid phase of the material during the SPS treatment and to remove the oxygen impurities in the material: it can be yttrium oxide Y 2 0 3
  • an additive to reduce the quantity of secondary phases formed at the grain boundaries during sintering it may be calcium fluoride CaF 2
  • the substrate can comprise on one of its faces several volumes, called here pockets, with controlled electrical and thermal properties. These pockets are formed on one face of the substrate by the manufacturing method described above, by the implementation of a particular relief on the impression piston when the solution described in relation to FIGS. 6A to 61 is implemented.
  • the interior of the substrate can comprise several three-dimensional volumes, or pockets, with controlled electrical and thermal properties.
  • these three-dimensional volumes are buried within the substrate.
  • Compound / material B displays, for smaller fractions of MCG (eg at 1.25 vol%), a frequency dependent electrical conductivity, indicating capacitive behavior over the entire frequency range explored.
  • the incorporation of these compounds in the ceramic based on AIN by co-sintering causes a local increase (in the pockets) of the electrical conductivity of the latter.
  • the object of the invention is to modify the substrate and in particular to locally modify (at the triple point "ceramic (based on AIN) insulating / metallization / silicone gel”) the electrical conductivity so as to reduce the field at triple point.
  • the composite part described above can fulfill the function of the gradation of the electric or potential field. in such a module by controlling the electrical conductivity and permittivity in volumes integrated in the substrate.
  • the approach adopted for this process makes it possible to produce a completely dense part, exhibiting excellent mechanical strength.
  • a first example of the structure of a composite substrate for a power electronics module is given for which a cylindrical pattern made of a composite material (material B) with controlled electrical conductivity and permittivity is integrated into the heterogeneous insulating ceramic (material A).
  • ceramic A has a diameter of 20 mm and a thickness of 2 mm. It is composed of AIN + Xi% mY 2 0 3 + x 2 % m CaF 2 .
  • Composite B has a diameter of 14 mm and a thickness of 150 ⁇ m. It is composed of AIN + Xi% m Y 2 0 3 + x 2 % m CaF 2 + y vol.% MCG (multilayers of graphene) or y vol.% Of another carbonaceous material, of MoS 2 , or of WS 2 .
  • the electrical conductivity o A of ceramic A is lower than the electrical conductivity o B of ceramic B.
  • ceramic A is composed of AIN and sintering additions (rare earths and / or alkaline-earth oxides, such as Y 2 0 3 , CaF 2 ).
  • the composite B can be composed of AIN + y vol. % MCG (multilayers of graphene), or of AIN + y vol. % CNT (carbon nanotubes) or AlN + y vol. % carbon with 0.01 £ y £ 10 vol.% (in percentage of volume vol.%).
  • ceramic A is composed of Al 2 0 3 .
  • the composite B can be composed of Al 2 0 3 + y vol. % MCG (multilayers of graphene), or of Al 2 0 3 + y vol. % CNTs (carbon nanotubes) with 0.01 ⁇ y ⁇ 10 vol.% (In percentage of volume vol.%).
  • ceramic A is composed of Si 3 N 4 or SiAION.
  • the composite ceramic B can be composed of Si 3 N 4 or SiAION respectively + y vol. % MCG (multilayers of graphene), or of Si 3 N 4 or SiAION respectively + y vol. % CNTs (carbon nanotubes) with 0.01 ⁇ y ⁇ 10 vol.% (In percentage of volume vol.%).
  • the “y” fraction corresponds to that of the conductive addition (MCG, CNT, carbon, MoS 2 or WS 2 ) which is introduced into the compound (AIN, Al 2 0 3 , Si 3 N 4 or SiAION) to modify its electrical conductivity and permittivity.
  • the “y” fraction is optimized to achieve the desired electrical conductivity in the composite B which is integrated in the pockets of the ceramic A with the aim of reducing the electric field at the triple points.
  • Multilayers of graphene can be obtained by exfoliation of graphite in isopropyl alcohol, preferably by means of the sonotrode.
  • the experimental conditions of the exfoliation are selected and the duration of this operation is between 1 and 12 h so as to produce MCGs with a quality allowing, on the one hand, to reach the value of the electrical conductivity at a low level of MCG and, on the other hand, to promote the most uniform possible distribution in the ceramic matrix AIN, necessary for the reproducibility of the results.
  • a low level of MCG will also help to preserve thermal conductivity.
  • isopropyl alcohol as solvent for the exfoliation of graphite is governed by its low evaporation temperature (82.6 ° C.) allowing the solvent to be easily separated from the final mixture of the powder.
  • the powder (AIN + sintering additions) is prepared from the mixture of AIN + Xi% m Y 2 0 3 + x 2 % m CaF 2 which is homogenized in absolute alcohol (dispersing solvent) using a mechanical mixer adjusted to a rotation preferably between 100 and 500 rpm for a period of between 1 and 5 hours. The powder is then heated at 80 ° C for 15 h to remove the solvent.
  • the powder (AIN + Xi% m Y 2 0 3 + x 2 % m CaF 2 ) + y vol.% MCG is prepared as follows: the graphene multilayers (MCG) dispersed in isopropyl alcohol are introduced with the AIN mixture + Xi% m Y 2 0 3 + x 2 % m CaF 2 in a glass flask which was then fixed in the rotary evaporator. The flask is subjected to a rotation of between 50 and 100 rpm for a period of between 1 and 5 hours to homogenize the solution. The system is then placed under vacuum to reduce the partial pressure of the solvent. The vapor produced is sucked in, then condensed using a cooling circuit, and the liquid solvent is finally conveyed to a recovery tank.
  • MCG graphene multilayers
  • SPS flash sintering
  • Simulations allowed a quantitative measurement of the effect of the proposed solution on the distribution of the electric field in materials in the vicinity of the triple point in a power electronics module.
  • FIG. 9 illustrates the distribution of the electric field and of the equipotentials for a reference structure with a homogeneous ceramic substrate.
  • the distribution of the electric field is dependent on the electrical conductivity of the modified ceramic pocket and this dependence is a function of the frequency of the voltage applied.
  • the pocket becomes influential for a conductivity greater than lxlO 8 S / m, value from which the maximum field in the pocket and in the gel begins to decrease in the PT zone (figure 10) of the triple point, and the maximum field in the ceramic and the gel in the zone R (figure 10) at the edge of the pocket begins to increase,
  • the simulation thus makes it possible to know the range of electrical conductivity favorable to the reduction of the field reinforcement in the structure for operation at a given frequency. It also shows that this range is extended, o poChe to be greater than a certain minimum value (2xl0 7 S / m, for 50 Hz), for which all the maximum fields of the structure will have been reduced, and beyond which, we will benefit at least from the suppression of the field peak at the metallization edge (point PT), or even also of a maximum field peak in the gel compared to the case with a homogeneous substrate (FIG. 9), which is smaller and at the edge of the pocket.
  • a first electrical contact, high potential, connected to a high voltage supply, and a second electrical contact, low potential, connected to ground are arranged on the ceramic substrate on the surface of which have been formed pockets of ceramic material with controlled conductivity and permittivity, these pockets being designed so as to reduce the formation of partial discharges when the component is under voltage.
  • Another electrical contact (not shown in the figure) is arranged on the underside of the layer of ceramic material and connected to ground. These elements form the metallized ceramic substrate.
  • the module further comprises a support made of copper (Cu) or of an aluminum-silicon carbide alloy (AlSiC), commonly called a sole on which the metallized ceramic substrate is placed.
  • the method according to the invention therefore makes it possible to guarantee the manufacture of an electrical component having better resistance to electrical voltage, fewer partial discharges and consequently an increased lifetime.
  • FIGS. 16 and 17 show two types of composite parts making it possible to illustrate the ranges of values relating to the dimensions of the composite part for the general case and the case of the example of power electronics.
  • the diameter d A of the substrate (here of cylindrical shape) of the composite part is between 8 and 80 mm
  • the height h of the substrate is between 0.5 and 50 mm.
  • the diameter d A of the substrate is equal to 20 mm and the diameter d B of the three-dimensional volume is 14 mm.
  • the minimum diameter d B of the three-dimensional volume is between 1 and 2 mm and the maximum diameter d B of the three-dimensional volume is between the minimum d B value and 18 mm.
  • the depth e of the three-dimensional volume is between 5 ⁇ m and the value of the height h of the substrate.
  • the distance d m between the three-dimensional volumes is greater than or equal to a value between 1 and 2 mm.
  • the diameter d A of the substrate (here of cylindrical shape) of the composite part is 130mm x 180mm (Master Card - Substrate)
  • the height h of the substrate is included between 0.127 and 2 mm
  • the diameter d B of the three-dimensional volume ranges from 4mm x 4mm to 125mm x 175mm.
  • the depth e of the three-dimensional volume is less than half of the height h of the substrate.
  • the distance d m between the three-dimensional volumes is greater than or equal to 2 mm and depends on the level of tension.
  • the applications of the solution developed by the inventors are diverse and relate, for example, to ceramic substrates for power electronics in application to the conversion of high and very high voltage energy (beyond 500V) in the fields of transport (automobile, train, tramway, metro, naval and avionics) and electricity production (wind and photovoltaic development and the emergence of continuous HVDC electrical networks).
  • high and very high voltage energy beyond 500V
  • transport autonomous, train, tramway, metro, naval and avionics
  • electricity production wind and photovoltaic development and the emergence of continuous HVDC electrical networks.
  • Ceramic materials Al 2 0 3 , Si 3 N 4 , for example
  • Other ceramic materials can be used for the application in power electronics and local optimization in volume of other types of properties (thermal, mechanical, optical, etc.) using other carbon, ceramic or metallic particles.
  • the process can be used to produce conductive ceramic tracks instead of applying metal tracks (copper, silver, etc.) to insulating substrates.
  • the conductive ceramic tracks can be integrated in the vicinity of the surface of the substrate, which allows use at high temperature which is much sought after in electronics.
  • these ceramic contacts can be used in the field of the conversion of thermal energy into electricity by means of thermoelectric generators (TE). Indeed, the process will make it possible to apply these contacts to the ends of semiconductor ceramics produced in the form of TE legs (bars). This would help reduce the electrical and thermal resistance at the interfaces (often very high at the ceramic / metal leg interfaces) and consequently preserve the efficiency of the generator. Ceramic contacts would also enhance the reliability of TE legs at high temperatures. In the same field of thermoelectric generators, the process will also make it possible to manufacture ceramic TE legs fully integrated in a protective ceramic. This will serve to protect many TE materials which are unstable in air and at operating temperature. Many materials are concerned (example: Skutterudite materials).
  • thermomechanical cycle which represents a significant saving in terms of time and energy.
  • the use of a composite part can lead to a reduction in constraints (in particular electrical, thermal, thermo-mechanical), such as for example a reduction in the value of the maximum electric field by 50% .
  • the inventors have observed that there is a direct link between the exfoliation conditions (quality of the particles, number of sheets, size of sheets, concentration) and the anisotropy factor (the anisotropy factor being the ratio of conductivities in the planes parallel and perpendicular to pressing), this factor being more particularly improved for composites sintered uniaxially by SPS sintering.
  • SPS technology combines, simultaneously, the application of a high uniaxial pressure (figure 18) and high intensity direct current pulses causing an almost immediate and uniform rise in temperature.
  • the results of the electrical measurements show a very large difference between the electrical conductivities in the direction parallel and perpendicular to the pressing.
  • the values of the anisotropy factor, measured at 50 Hz, can reach a factor between 150 and 10 12 , particularly between 10 3 and 10 10 , more particularly between 10 3 and 10 8 and more particularly still between 10 3 and 10 e .
  • this property is very relevant because it allows the potential to be graded, only in the useful direction and not to the detriment of the insulation in the thickness of the ceramic.
  • the anisotropy factor can therefore be modulated through the exfoliation conditions.
  • the anisotropy can be adapted according to the production process, the factor included between 10 3 and 10 s (measured at 50 Hz) being obtained by sintering under load or flash sintering in particular.
  • the very important anisotropy factors that the inventors have measured make it possible to have a material with conductive behavior in the direction s perpendicular to the pressing, and a dielectric or insulating behavior in the direction sm parallel to the pressing as illustrated in FIG. 18.
  • Figure 19 shows the electrical conductivity parallel and perpendicular to the pressing axis for a sample AIN + 1 m% Y203 + 2 m% CaF2 + 2.5 vol% MCG, with a total exfoliation time of 2h + 2h + lh.
  • the anisotropy factor is here equal to 2.63 x 10 3 .
  • the potential gradation could preferably take place in the metallization plane (in a metallized substrate) which makes it possible to keep the dielectric or insulating property in the thickness of the substrate.
  • This approach allows the optimization of the development of a ceramic matrix nanocomposite including multilayers of graphene (Ex. AiN - MCG), integrated into the volumes of the part, displaying an anisotropy of electrical conductivity never equaled to date. This is achieved through careful optimization of the production of graphene multilayers by exfoliation of graphite.
  • Such an anisotropy is controllable and gives a conductivity with two main components, a low conductivity, close to that of the substrate, in a first direction and a high conductivity in a second direction perpendicular to the first direction.

Abstract

The present invention relates to a process for manufacturing a composite part (11) comprising: - a substrate (111) composed of a first material (A), said first material (A) being a ceramic or a ceramic-matrix composite; and - a plurality of three-dimensional volumes (112) arranged in said substrate (111), each of said three-dimensional volumes (112) being composed of a second material (B) which is a ceramic or a ceramic-matrix composite having a predefined electrical conductivity, permittivity and thermal conductivity, said three-dimensional volumes (112) being composed of one and the same ceramic or of one and the same ceramic-matrix composite or else of different ceramics or ceramic-matrix composites, the method comprising the following steps: producing (S30) a first preform (P1) composed of the first material (A) and intended to form the substrate (111) and obtaining a plurality of hollow impressions (EM) on a face of said first preform (P1), each of said hollow impressions (EM) being configured to delineate one of said three-dimensional volumes (112), completely or partially filling (S31) each of said hollow impressions (EM) with the second material (B) so as to produce second preforms (P2) each forming one of said three-dimensional volumes (112), joining (S33), by means of sintering, the first preform (P1) and the second preforms (P2) so as to obtain the composite part (11).

Description

Procédé de fabrication d'une pièce composite à matrice céramique, pièce composite, et composant électrique correspondants Manufacturing process of a composite part with ceramic matrix, composite part, and corresponding electrical component
Domaine de l'invention Field of the invention
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite. The present invention relates to a method of manufacturing a part made of composite material.
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). One field of application of the invention is the manufacture of electrical components. The invention applies more generally, but not exclusively, to electronic, power electronics or electrical engineering systems intended for the conversion, distribution or transport of high voltage electrical energy (such as power converters, high voltage transformers, isolating gas switches, high voltage connectors, elements for high voltage transmission, high voltage cables whether in DC ("Direct Current") or AC ("Alternative Current" »), The bus-bars, for example).
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. The term "electrical component" in this document must be interpreted in the broad sense and can correspond equally well to an electrical or electronic module, an electrical or electronic circuit, a printed circuit of the PCB type, an electrical or electronic card, an electronic component, an electrical connector, an electrical cable, etc. More generally, the invention can be applied to any element with electrical or electronic functionality provided with electrical contacts intended to be surrounded by an electrical insulator.
Art antérieur Prior art
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. Industrial ceramics (called technical) constitute a set of advanced materials, used in a very wide variety of applications ranging from the field of electronics to that of space. They have multiple and varied functional properties (electrical, magnetic, thermal, optical, etc.), good mechanical properties and / or excellent thermal and chemical stability, associated with low density. The local control of the properties, in one or more parts, of a ceramic is crucial to give it the capacity to fulfill more technological functions and / or to reinforce its mechanical resistance.
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. Such an approach is sought for new ranges of applications in search of materials that are more functional, efficient, reliable, stable, light and / or resistant to temperature rise and under severe environments.
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. It therefore requires the development of composite parts with a ceramic matrix. Current composite parts are obtained by assembling, at a planar and two-dimensional (2D) interface, two ceramics with distinct chemical compositions.
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. Mention may be made, by way of example, of those developed for solar cell applications. These parts are generally manufactured by co-sintering two layers of powders, previously superimposed, using the techniques of forming by hot pressing. One of the two elaborate ceramics serves as a substrate.
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. While this approach makes it possible to confer new surface properties on this substrate, it does not allow a modification in volume thereof.
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. Even in the case of additive manufacturing techniques such as the selective laser sintering process ("Selective Laser Sintering" or SLS) or the selective laser melting process ("Selective Laser Melting" in English), which are techniques for the development of complex three-dimensional shapes and objects, the materials produced exhibit properties much lower than those obtained with conventional consolidation techniques (sintering without or under load), and the complexity of the laser-material interaction limits their optimal application to one material at a time.
Cela empêche en conséquence leur utilisation pour de nombreuses applications requérant le contrôle des propriétés fonctionnelles en volume. This consequently precludes their use for many applications requiring the control of functional properties by 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. It therefore appears necessary to propose an innovative solution making it possible to modify in volume a ceramic substrate so as to locally control its functional properties.
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. It will be recalled that certain ceramics are excellent electrical insulators and are used, for example, as an insulating substrate for power electronics applications. Electrical insulation is a critical element in devices operating under high voltage. Since the life of an electrical component is often linked to the life of its insulation, research has been carried out in recent years to understand the causes of degradation and aging of materials used as solid electrical insulators, and in particular in power electronics modules. The latter, operating at high voltage, are in fact subjected to strong electrical stresses, which can lead to the appearance of electric field reinforcements in the insulating material (ie singular zones near the conductive elements around which the electric field is more intense). These field reinforcements are - on condition that certain voltage levels are reached - sources of partial discharges in the volume of the insulators, deteriorating the component as it is used, or even electrical breakdown.
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. This is all the more remarkable given that the insulating materials used in current power components endure stresses for which they were not necessarily designed. Indeed, the rise in operating voltage combined with the sharp increase in the integration of electronics in on-board systems in particular, leads to an increase in power density. As a result, the level of electrical stresses to be endured for the insulating materials is multiplied.
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. One solution to guarantee better voltage withstand would consist in oversizing the constituent elements of the electrical components, but this approach is obviously not compatible with a search for system integration.
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.). A component frequently used in energy conversion systems for rail transport, for example, is the power module with IGBT chips (for "Insulated Gâte Bipolar Transistor" or insulated gate bipolar transistor), as shown in Figure 1. Its structure consists of a stack of different elements. One or more IGBT chips 1 are soldered onto an insulating substrate 2 comprising an electrically insulating layer 21 (based on a ceramic material) which is covered on its lower and upper faces with a metallic electrical contact 22 and 23 (metallization). The substrate 2 is a metallized ceramic substrate (Type AI203, Si3N4, AIN) called DBC (for “Direct Bonding Copper”) or AMB (for “Active Metal Brazing”) due to the process by which the metallization is carried out. In the most common case, this substrate is placed on a support 5 made of copper or AlSiC. The different elements of the module are assembled and covered with a layer of electrically insulating material 3 (encapsulant, most often a silicone gel or an epoxy resin), then enclosed in a plastic case 6. The module is then fixed to a system of cooling the lower face of the module (not shown), in order to dissipate the heat produced by the chips in operation, then connected by conductors to the rest of the electrical circuit (actuators, 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. One of the main causes of failure from an electrical point of view of this type of component is the breakdown of the electrical insulation at the ceramic / metal / encapsulation insulator triple point, as shown in Figure 2 (triple point denoted PT) corresponding to the interface of three media of different permittivities, and at the level of the tip of the electrical contact 22 (referenced P) at the metal / insulator interface (in this case we speak of “peak effect”) . Indeed, the strengthening of the electric field localized in the insulators in the vicinity of this sensitive point exists and can lead to the formation of partial electric discharges, sometimes manifesting in the form of electrical trees, the repetition of which degrades the encapsulation material 3, leading to premature aging of the module, as well as reliability problems, or a limitation of the voltage withstand. The field reinforcement is also strongly linked to the geometry of the edges of the contacts which are obtained after etching and amplifies the non-uniformity of the electric field in the insulating materials.
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. With a view to increasing voltage and / or integrating power electronics while maintaining high voltage constraints, a known solution, described in patent document WO 2015/074431, and illustrated in FIG. 3, consists in depositing a thin layer of semi-resistive varnish 4 based on hydrogenated amorphous silicon on the ceramic layer 21 at the interface with the encapsulation material 3 from the upper electrical contact 22 to the lower electrical contact 23. This semi-resistive varnish layer 4 makes it possible to reduce the risk of partial discharges located around the electrical contacts. However, such a solution requires the use of plasma deposition equipment which is expensive and difficult to read. In addition, the masking of certain elements sensitive to within the structure is relatively complex in view of the variation of the structural elements that can compose it.
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. Another known solution, described in the scientific publication by N. Hayakawa, et AL, 2012, entitled "Fabrication Technique of Permittivity Graded Materials (FGM) for Disk-Type Solid Insulator, Proceedings of the CEIDP", is based on the realization of a potential-dimming (or electric-field-dimming) material as an electrically insulating encapsulation material for electronic components. The potential gradation is carried out by a material with a permittivity gradient. This is a composite based on a polymer matrix loaded with particles of different sizes. This composite, before being cured, is subjected to a centrifugal force so as to cause the displacement of the particles in the polymer matrix to obtain a certain permittivity profile as a function of the spatial distribution of the particles.
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. However, this solution has a certain number of drawbacks. Due to the nature of the technique used to move the particles in the polymer matrix (centrifugation), only unilateral displacement of the particles in the matrix is possible (in the direction opposite to the center of rotation of the material), which is not not optimal. This technique is restrictive because it only makes it possible to treat a single localized area of the material (and not necessarily all of the areas that should be treated (the absence of partial discharges in the material is therefore not guaranteed). ), and further implies that the material has a simple geometric shape (cylindrical or circular). This solution also requires re-machining of the encapsulation material after the centrifugation and hardening steps, which is tedious and expensive to implement. Finally, it does not seem compatible for the manufacture of bulky electrical components, such as power modules, transformers or high voltage switchgear, for example.
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. Moreover, since the appearance of power modules in the 1990s and despite the rise in power (in terms of current ratings) of this component, there has not been any technological breakthrough in this component by one point view of the voltage rating levels.
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. Currently, the highest voltage available for silicon-based power modules is 6.5 kV. From an electrical insulation point of view, the main idea to make changing the different voltage ratings was to increase the isolation distance. This approach becomes inoperative after a certain level of 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. It therefore also appears necessary to propose an innovative electrical insulation solution which makes it possible to effectively reduce the phenomenon of partial discharges in an electrical component and / or to increase the operating voltage, and which is simple and inexpensive to set up. artwork.
Exposé de l'invention Disclosure of the invention
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé un procédé de fabrication d'une pièce composite comprenant : In a particular embodiment of the invention, there is proposed a method of manufacturing a composite part comprising:
- un substrat constitué d'un premier matériau, ledit premier matériau étant une céramique ou un composite à matrice céramique, et - a substrate made of a first material, said first material being a ceramic or a ceramic matrix composite, and
- 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, - several three-dimensional volumes disposed in said substrate, each of said three-dimensional volumes being made of a second material which is a ceramic or a ceramic matrix composite having a predefined electrical conductivity, permittivity and thermal conductivity, said three-dimensional volumes being made up of the same ceramic or the same ceramic matrix composite or else different ceramics or ceramic matrix composites,
le procédé comprenant les étapes suivantes : the method comprising the following steps:
- 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, - Making a first preform made of the first material and intended to form the substrate and obtaining several hollow impressions on one face of said first preform, each of said hollow impressions being configured to delimit one of said three-dimensional volumes,
- 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, - total or partial filling of each of said hollow impressions with the second material so as to produce second preforms each forming one of said three-dimensional volumes,
- assemblage par frittage de la première préforme et des deuxièmes préformes de sorte à obtenir la pièce composite. - Assembly by sintering of the first preform and of the second preforms so as to obtain the composite part.
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. The second material can also have predefined mechanical properties. The invention relates to a method of manufacturing a reliable composite part made of a heterogeneous ceramic comprising several (two or more) areas of one. ceramic and / or a ceramic matrix composite having controlled properties and three-dimensional geometry.
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. It will be recalled that composites with a ceramic matrix are characterized by a set of carbonaceous or ceramic or metallic particles which are incorporated into a ceramic matrix.
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. The method of manufacturing a part incorporating several volumes comprising the same material or different materials is advantageous in the sense that the steps of the latter are simple to implement, sintering (flash for example) allowing in particular densification and 'simultaneous assembly of two or more different materials, elaboration in a single step and the implementation of a single thermomechanical cycle.
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%. The composite parts manufactured exhibit controlled properties and geometries, good mechanical strength, a high density of up to 99% and a very high degree of reproducibility, up to 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. In other words, the proposed manufacturing process is efficient, reliable, simple and fast, but also economical in terms of time and energy.
Les considérations technologiques requises pour une réalisation fiable de la pièce composite sont en particulier : The technological considerations required for a reliable production of the composite part are in particular:
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. i) minimization of thermomechanical stresses at the 3D interfaces between the substrate and the volumes which are integrated therein during the manufacture of the composite part. This minimization of stresses involves the development of the material (s) constituting the volumes having a coefficient of thermal expansion similar to that of the substrate.
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. ii) the chemical stability of the part which implies that the chemical elements of the material (s) of the volumes do not diffuse into the material of the substrate and vice versa. This protects the properties of the different parts of the composite part and consequently ensures the multiplicity of its functions.
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. iii) optimization of the sintering conditions (temperature, pressure and time) for simultaneous production and assembly of the substrate and the volumes allowing the manufacture of a reliable composite part integrating volumes with controlled properties and geometry. According to a particular implementation, after the filling step and prior to the step of assembling the first preform and the second preforms, the manufacturing process comprises a step of depositing a layer made of the first material so as to cover and embed the second preforms in the first preform.
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. According to different implementations of the invention, the preforms are obtained by the same technique or different techniques chosen from the techniques of extrusion, pressing of cast strips, deposition by screen printing, deposition by ink jet and additive manufacturing processes.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, les préformes sont obtenues par compactage de poudre. According to a particular embodiment of the invention, the preforms are obtained by compacting powder.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes : In a particular embodiment of the invention, the manufacturing process comprises the following steps:
- mise en place dans un moule d'une première couche du premier matériau en poudre destinée à former le substrat ; - Placement in a mold of a first layer of the first powder material intended to form the substrate;
- 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 ; - Compaction of the first layer so as to form the first preform and obtaining several hollow impressions on one face of said first preform, each of said hollow impressions being configured to delimit one of said three-dimensional volumes;
- 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 ; - Placement in said mold of a second layer of the second material so as to cover said face of the first preform and fill said hollow indentations to form the three-dimensional volumes;
- compactage de la deuxième couche de sorte à former les deuxièmes préformes ; - Compaction of the second layer so as to form the second preforms;
- assemblage de la première préforme et des deuxièmes préformes par frittage de sorte à obtenir la pièce composite ; - Assembly of the first preform and of the second preforms by sintering so as to obtain the composite part;
- extraction hors du moule de ladite pièce composite ; - Extraction from the mold of said composite part;
- 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. - rectification of the second preforms consisting in removing the part of the second preforms situated above said face of the first preform without removing the other part of the second preforms each forming a three-dimensional volume disposed in the first preform.
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 : According to different implementations of the invention, the sintering of the first preform and of the second preforms consists of conventional sintering, such as natural sintering, under load sintering (HP) or isostatic sintering, or in unconventional sintering, such as flash sintering (SPS), laser sintering or microwave sintering. The invention also relates to a composite part obtained by such a manufacturing process comprising:
- un substrat constitué d'un premier matériau, ledit premier matériau étant une céramique ou un composite à matrice céramique, et - a substrate made of a first material, said first material being a ceramic or a ceramic matrix composite, and
- 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, - several three-dimensional volumes arranged in said substrate, each of said three-dimensional volumes being made of a second material which is a ceramic or a ceramic matrix composite having a predefined electrical conductivity, permittivity and thermal conductivity,
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. said three-dimensional volumes consisting of the same ceramic or of the same ceramic matrix composite or else of different ceramics or ceramic matrix composites.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, lesdits volumes tridimensionnels sont disposés sur une face dudit substrat. According to a particular embodiment of the invention, said three-dimensional volumes are arranged on one face of said substrate.
Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, lesdits volumes tridimensionnels sont disposés au sein dudit substrat. According to another particular embodiment of the invention, said three-dimensional volumes are arranged within said substrate.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le premier matériau est composé d'un mélange de AIN avec Xi%m Y203 et x2%m CaF2 , le deuxième matériau étant composé d'un mélange de AIN avec Xi%m Y203 et x2%m CaF2 et y vol.% MCG (multicouches de graphène) ou d'un autre matériau carboné, ou d'un disulfure métallique tel que MoS2, MXS2, WS2 avec 0,5 < Xi < 6 m%, 1 < x2 < 7 m% et 0,01 < y < 10 vol.%. According to one embodiment of the invention, the first material is composed of a mixture of AlN with Xi% m Y 2 0 3 and x 2 % m CaF 2 , the second material being composed of a mixture of AlN with Xi % m Y 2 0 3 and x 2 % m CaF 2 and y vol.% MCG (multilayers of graphene) or of another carbonaceous material, or of a metal disulfide such as MoS 2 , MXS 2, WS 2 with 0 , 5 <Xi <6 m%, 1 <x 2 <7 m% and 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 : According to an alternative embodiment, the first material is composed of a mixture of AlN and sintering additions and the second material is composed of:
d'un mélange d'AlN et y vol. % de multicouches de graphène, ou of a mixture of AlN and y vol. % of graphene multilayers, or
d'un mélange d'AlN et y vol. % de nanotubes de carbone, ou of a mixture of AlN and y vol. % of carbon nanotubes, or
d'un mélange d'AlN et y vol. % de carbone, of a mixture of AlN and y vol. % of carbon,
avec 0,01 £ y < 10 vol.%. with 0.01 £ y <10 vol.%.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le premier matériau est composé d'AI203 et le deuxième matériau est composé: In another embodiment of the invention, the first material is composed of Al 2 0 3 and the second material is composed:
d'un mélange d'AI203 et y vol. % d'un disulfure métallique et y vol. % de multicouches de graphène, ou d'un mélange d'AI203 et y vol. % d'un disulfure métallique et y vol. % de nanotubes de carbone, of a mixture of AI 2 0 3 and y vol. % of a metal disulfide and y vol. % of graphene multilayers, or of a mixture of AI 2 0 3 and y vol. % of a metal disulfide and y vol. % of carbon nanotubes,
avec 0,01 £ y £ 10 vol.%. with £ 0.01 y £ 10 vol.%.
Le disulfure métallique peut être MoS2, ou de WoS2 ou MxS2. The metal disulfide can be MoS 2 , or WoS 2 or MxS 2 .
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le premier matériau est composé de Si3N4 ou de SiAION et le deuxième matériau est composé : In another embodiment of the invention, the first material is composed of Si 3 N 4 or of SiAION and the second material is composed:
d'un mélange de Si3N4 ou SiAION respectivement et y vol. % d'un disulfure métallique et y vol. % de multicouches de graphène, ou of a mixture of Si 3 N 4 or SiAION respectively and y vol. % of a metal disulfide and y vol. % of graphene multilayers, or
d'un mélange de Si3N4 ou SiAION respectivement et y vol. % d'un disulfure métallique et y vol. % de nanotubes de carbone, of a mixture of Si 3 N 4 or SiAION respectively and y vol. % of a metal disulfide and y vol. % of carbon nanotubes,
avec 0,01 < y < 10 vol.%. with 0.01 <y <10 vol.%.
Le disulfure métallique peut être MoS2, ou de WoS2 ou MxS2 The metal disulfide can be MoS 2 , or WoS 2 or MxS 2
L'invention concerne, par ailleurs, un composant électrique comprenant une telle pièce composite. The invention further relates to an electrical component comprising such a composite part.
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. According to a particular application, the electrical component takes the form of an electronic power module, said composite part constituting the insulating substrate of said power electronic module, said three-dimensional volumes arranged in said substrate of said composite part having an electrical conductivity and a permittivity different from those of said substrate so as to reduce the electrical stress in the insulating substrate.
Un tel composant électrique utilise un substrat, sous forme de pièce composite, avec une conductivité modifiée localement, uniquement aux niveaux des volumes intégrés. Such an electrical component uses a substrate, in the form of a composite part, with a locally modified conductivity, only at the levels of the integrated volumes.
Un tel composant électrique peut prendre la forme d'un module électronique de puissance, ladite pièce composite constituant le substrat céramique isolant dudit module. Such an electrical component can take the form of an electronic power module, said composite part constituting the ceramic substrate insulating said 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. In this case, the method of the invention makes it possible to improve the performance of high voltage power modules for the conversion of electrical energy, in particular in terms of voltage withstand and reliability, by localized action on the electrical conductivity. of the metallized ceramic substrate.
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. The method makes it possible to reduce the level of the electric field at the level of the triple point by a spreading of the potential lines by intervention in the ceramic substrate (in aluminum nitride (AIN) for example), and in particular by the implementation of several three-dimensional volumes, called pockets, in which the chemical composition and the properties of the ceramic substrate are partially or entirely modified.
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. These pockets are obtained by developing a compound with the desired electrical properties and by integrating it by volume into a substrate using flash sintering produced by SPS technology (initials of “Spark Plasma Sintering” in English, ie. ie “plasma flash sintering”) preferentially.
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. These pockets are arranged in areas of the ceramic substrate where unwanted electric field enhancements can appear when the component is energized.
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. This induces an increase in the dielectric permittivity and / or in the electrical conductivity in a targeted and adapted manner as a function of the desired properties with respect to the electrical component.
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. Thus, the method of the invention offers a simple and effective solution based on a targeted adjustment of the dielectric permittivity profile and / or of the electrical conductivity of the composite material forming the ceramic substrate of a high voltage power module. The composite material obtained therefore has a dielectric permittivity and / or electrical conductivity profile reducing the electric field reinforcements, sources of partial discharges within the electrical component in operation.
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. The treatment method according to the invention therefore makes it possible to guarantee better voltage resistance of the electrical component and consequently an increased lifetime or a range of applications extended to higher voltage applications.
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. Advantageously, the three-dimensional volumes of such an electrical component are obtained by SPS sintering or sintering under load and have an electrical conductivity in the plane perpendicular to the pressing axis greater than the electrical conductivity in the plane parallel to the pressing axis. .
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 1012. According to a particular implementation, the ratio of electrical conductivities, called anisotropy factor, in the planes parallel and perpendicular to the pressing axis is between 25 and 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: Presentation of figures Other characteristics and advantages of the invention will become apparent on reading the following description, given by way of indicative and non-limiting example, and the appended drawings, in which:
- 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 ; - Figure 1 already described in relation to the prior art, shows an example of an electronic power module known from the state of the art;
- 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 ; - Figure 2 already described in relation to the prior art, shows a partial sectional view of the electrical module illustrated in 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 ; FIG. 3, already described in relation to the prior art, presents a known technique for reducing the formation of partial discharges in a power module such as that presented in relation to FIGS. 1 and 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 ; - Figures 4 b), c), e), f), h) and i) illustrate various examples of composite parts that can be obtained by the method of the invention for which the three-dimensional volumes are arranged on one face of the substrate;
- 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 ; - Figures 4a), d) and g) illustrate other examples of composite parts having only a three-dimensional volume arranged on one face of the substrate;
- 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 ; FIG. 5 illustrates various examples of composite parts that can be obtained by the method of the invention for which the three-dimensional volumes are arranged on one face of the substrate;
- les Figure 6A à 61 illustrent les différentes étapes d'une solution particulière de fabrication d'une pièce composite conforme à l'invention; - Figures 6A to 61 illustrate the different steps of a particular solution for manufacturing a composite part according to the 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; - Figure 7 illustrates an example of temperature (a) and pressure (b) cycles of the sintering step implemented during the manufacture of a composite part according to the invention, and in particular in the solution particular described in relation to Figures 6A to 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 ; - Figure 8A is a schematic sectional view illustrating a high voltage power module in which the invention is implemented;
- 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; - Figure 8B is a schematic sectional view illustrating another high voltage power module in which the invention is implemented;
- 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; - Figure 8C is a schematic sectional view illustrating yet another high voltage power module in which the invention is implemented;
- 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 ; FIG. 9 illustrates the distribution of the electric field and of the equipotentials for a reference structure of a power module; FIG. 10 illustrates the distribution of the electric field and of the equipotentials for a structure of a power module with ceramic substrate integrating a "pocket" zone with controlled electrical conductivity under the triple point, illustrated in FIG. 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; FIG. 11 represents the values of the maximum electric fields in the three zones (ceramic, modified ceramic pocket and silicone gel) as a function of the electrical conductivity in the pocket integrated in the ceramic of the structure of FIG. 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; - Figure 12 shows, for a structure of a ceramic incorporating a pocket (such as Figure 8B), the values of the maximum electric fields as a function of the variation of the conductivity s of the pocket and of the frequency of the sinusoidal voltage d 'food;
- 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; - Figures 13 b) and c) illustrate various examples of composite parts according to the invention for which the three-dimensional volumes are arranged within the substrate;
- la Figure 13 a) illustre une pièce composite pour laquelle un seul volume tridimensionnel est disposé au sein du substrat; - Figure 13 a) illustrates a composite part for which a single three-dimensional volume is placed within the substrate;
- la Figure 14 est un schéma synoptique simplifié représentant les différentes étapes du procédé de fabrication d'une pièce composite conforme à l'invention ; - Figure 14 is a simplified block diagram showing the different steps of the manufacturing process of a composite part according to the 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 ; FIG. 15 is a simplified block diagram showing the various steps of the particular manufacturing process of a composite part for which the three-dimensional volume (s) are placed within the substrate;
- 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 ; - Figure 16 shows a composite part to illustrate the value ranges relating to the dimensions of the composite part for the general case and the case of the example of power electronics;
- 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 ; - Figure 17 shows a composite part according to the invention to illustrate the value ranges relating to the dimensions of the composite part for the general case and the case of the example of power electronics;
- 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. - Figure 18 illustrates the directions parallel and perpendicular to the pressing axis of a composite part according to the invention obtained by SPS sintering; - Figure 19 illustrates the anisotropy of the electrical conductivity of a composite part according to the invention and obtained by SPS sintering, in the directions parallel and perpendicular to the pressing axis.
5 Description détaillée 5 Detailed description
Sur toutes les figures du présent document, les éléments et étapes identiques sont désignés par une même référence numérique. In all the figures of this document, identical elements and steps are designated by the same numerical reference.
Structure d'une pièce composite et procédé de fabrication Structure of a composite part and manufacturing process
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. The inventors have implemented an original process allowing the development of a composite part consisting of a substrate (a functional, homogeneous or heterogeneous monolithic ceramic, or a composite with a ceramic matrix) provided with one (or more) volume (s). ) with controlled properties.
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. FIG. 4 illustrates various examples of such a composite part 11 which in this case comprises a substrate 111 made of material or compound A integrating a three-dimensional volume 112 (examples referenced a, d and g) or, in accordance with the invention, several three-dimensional volumes 112 (examples referenced b, c, d, e, f, h, i) each made up of a material or compound distinct from material 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). These three-dimensional volumes 112 may be of the same chemical composition (examples referenced b, e, f, h, i) or of different chemical compositions (example referenced 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. FIG. 5 illustrates other examples of such a composite part 11 which comprises a substrate 111 made of material A integrating several three-dimensional volumes 112 each made up of a material B, C, D, E or F distinct from material A.
Pour tous ces exemples des figures 4 et 5, les matériaux A à F peuvent être des céramiques monolithiques ou composites. For all these examples of FIGS. 4 and 5, the materials A to F can be monolithic or composite ceramics.
Les propriétés (électriques, thermiques, mécaniques notamment) respectives des matériaux A à F et leurs dimensions sont contrôlées. The respective properties (electrical, thermal, mechanical in particular) of materials A to F and their dimensions are checked.
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. As can be seen from the examples of Figures 4 and 5, these three-dimensional volumes 112 can take the form of a cylinder or a cube. They can in a variant take the form of a sphere or else take other geometric shapes depending on the envisaged application. It should be noted that different shapes of patterns can be produced including compounds / materials distinct from each other with more complex geometric shapes in surface and in volume than those presented in Figures 4 and 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. Thus, examples a), b) and d) to i) of FIG. 4 illustrate ceramic parts provided with one or more volumes of composite B with different controlled three-dimensional geometries.
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. Examples c) of figure 4 and a) to d) of figure 5 illustrate ceramic parts provided with several (two or more) volumes of different composites with a ceramic matrix with a controlled three-dimensional geometry.
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. FIGS. 13 b) and c) illustrate various examples of composite parts in accordance with the invention for which the three-dimensional volumes are arranged within the substrate.
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. In the example of FIG. 13 a), a single three-dimensional cylindrical volume 112 made of material B extends inside the cylindrical substrate 111 made of material 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. In the example of FIG. 13 b), several (in this case five in this example) three-dimensional volumes 112 (cylindrical in this example) of material B extend inside the cylindrical substrate 111 of material 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. In the example of figure 13 c), several (in this case five in this example) three-dimensional volumes 112 (cylindrical in this example) of material B, C, D, E and F respectively extend inside of the cylindrical substrate 111 made of material 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. The method developed by the inventors allows three-dimensional integration of these volumes 112 in the substrate 111 with a geometry that is also controlled. The chemical composition of the three-dimensional volumes 112 is adjusted so as to achieve the desired properties on the one hand and to establish reliable three-dimensional (3D) interfaces between the integrated three-dimensional volumes 112 and the substrate 111, on the other hand.
Chaque volume tridimensionnel 112 peut être obtenu par la modification partielle ou entière de la composition chimique du substrat 111. Each three-dimensional volume 112 can be obtained by partially or entirely modifying the chemical composition of the substrate 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. The production of a composite part 11 therefore requires the development of the material (s) which constitute the three-dimensional volumes 112 and their integration in volume into the substrate 111. The choice of the constituent elements of this material (B , C, ...) is not only decisive in providing the composite part 11 with the functions technological requirements, but it is also subject to several technological criteria decisive for a reliable integration of this material.
En effet, outre ses propriétés fonctionnelles qui diffèrent de celles du substrat 111, le matériau ou composé d'un volume tridimensionnel 112 intégré doit : Indeed, in addition to its functional properties which differ from those of the substrate 111, the material or compound of an integrated three-dimensional volume 112 must:
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 ; have sintering conditions similar (atmosphere, temperature ranges, pressure ranges) to those of compound or material A of substrate 111 in order to be able to perform simultaneous consolidation of materials A, B, C, etc. and sinter welding from these to each other at three-dimensional interfaces;
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; be made up of stable chemical elements or compounds which do not diffuse or in a controlled manner through the three-dimensional interfaces of one of the materials towards the other, in particular at the manufacturing temperature (flash sintering called "SPS") of the composite part 11 and that of its use. In other words, the substrate 111 must act as a diffusion barrier for the constituent elements of the integrated materials or compounds and vice versa. This makes it possible to avoid or at the very least limit the progressive degradation of the functional properties of the materials (A, B, etc.) and consequently to preserve the functioning or the technological functions of the composite part 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. have a coefficient of thermal expansion (CDT) similar to that of substrate 111. This minimizes, at the interfaces of materials (A / B, A / C, etc.), the thermomechanical stresses induced by the thermal cycles to which the composite part 11 is exposed during manufacturing by flash sintering (SPS) and during its use, and thus prevents its cracking, in particular at three-dimensional interfaces, which would lead to irreversible damage to the composite part 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. The manufacture of a composite part 11 also requires the prior determination of the shrinkage after sintering of each of the materials, in particular of the material or compound B (composite with ceramic matrix) integrated in the material A (ceramic), in order to control the dimensions. and the geometry of the pattern to be integrated into the substrate 111 of material A. The main steps of the manufacturing process of a composite part, such as those illustrated in FIGS. 4, 5 and 13. This composite part can comprise one or more three-dimensional volumes at the sides of FIG. controlled electrical and / or thermal and / or mechanical properties.
Dans cet exemple est réalisée une pièce composite 11 constituée d'un substrat 111 hétérogène en matériau A (AIN + Xi %m Y203 + x2 %m CaF2) intégrant un volume tridimensionnel 112 en matériau B (AIN + Xi %m Y203 + x2 %m CaF2 + y vol.% MCG), avec 0,5 £ Xi £ 6 m%, 1 < x2 < 7 m% et 0,01 £ y £ 10 vol.% (en pourcentage de masse m% ou de volume vol.%). In this example, a composite part 11 is produced consisting of a heterogeneous substrate 111 made of material A (AIN + Xi% m Y 2 0 3 + x 2 % m CaF 2 ) incorporating a three-dimensional volume 112 made of material B (AIN + Xi% m Y 2 0 3 + x 2 % m CaF 2 + y vol.% MCG), with 0.5 £ Xi £ 6 m%, 1 <x 2 <7 m% and 0.01 £ y £ 10 vol.% (in percentage of mass m% or volume vol.%).
Les fractions respectives d'oxyde d'yttrium Y203 (xi) et de fluorure de calcium CaF2 (x2) 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 Y203 et 1 - 7 m% CaF2. 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. The respective fractions of yttrium oxide Y 2 0 3 (xi) and calcium fluoride CaF 2 (x 2 ) were determined based on the values reported in the literature, but also on an experimental optimization to achieve a maximum densification combined with the highest possible thermal conductivity of the AlN-based ceramic (material B). A range of fraction values is given here for each of the additions: 0.5 - 6 m% for Y 2 0 3 and 1 - 7 m% CaF 2 . Note that these fractions depend, on the one hand, on the quality of the starting AIN powder, in particular with regard to the level of oxygen (impurities) contained in it, and on the other hand, on the experimental conditions of the sintering step detailed below.
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. In a first step (S30), a first PI preform is made consisting of the first material A and intended to form the substrate 111, and at least one hollow imprint is obtained on one face of said first PI preform, each hollow imprint being configured to delimit a three-dimensional volume 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. Said at least one hollow cavity is then completely or partially filled (S31) with the second material B so as to produce at least one second preform P2 forming at least one three-dimensional volume 112, then the first preform PI is assembled (S33) and the second preform or second P2 by sintering so as to obtain the composite part 11. After the assembly step (S33), a step of leveling off a surplus of material B can be implemented.
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. The main steps of a particular process, by powder compacting, for manufacturing a composite part, such as those illustrated in Figures 4 and 5, are described below with reference to FIGS. 6A to 61. In this particular process, a powder of a first material A is loaded into a graphite mold 30 of diameter equal to 20 mm as illustrated in FIG. 6A. The mold 30 has an internal shape corresponding to the shape of the part to be obtained (cylindrical in the present case). A graphite sheet was previously placed on the internal wall of the die and above the graphite piston 31 in order to avoid any reaction between the enclosure and the first material 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). Then, is introduced into the mold 30 a piston 32 with a stainless steel imprint of diameter slightly less than 20 mm which is provided at its end directed towards the mold with a cylindrical pattern, or relief, 321 of diameter equal to 14 mm and of thickness "e" equal to 600 μm (FIG. 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. In the next step, a uniaxial cold pressure (FIG. 6C) is applied to the cavity piston 32 so as to compact the powder of material A and etch a hollow cylindrical EM imprint (with a diameter equal to 14 mm and d thickness "e" equal to 600 μm) in the preform PI (FIG. 6D). The shape of the hollow EM imprint is given by that of the piston 32 and defines a three-dimensional volume of the composite to be obtained.
On réalise ensuite la préforme P2 constituée d'un deuxième matériau B au-dessus de la préforme PI. On note que la conductivité électrique oA du matériau A est inférieure à la conductivité électrique oB du matériau B. The preform P2 is then made, made of a second material B, above the preform PI. Note that the electrical conductivity o A of material A is lower than the electrical conductivity o B of material 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). After removing the stainless steel piston 32, the powder of material B is poured onto the preform PI in the mold 30 so as to fill the hollow EM cavity and cover the entire upper face of the preform PI (FIG. 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. A second graphite piston 33 is then introduced above the powder of material B to close the mold 30 and a uni-axial cold pressure is applied to this piston 33 (FIG. 6F). This makes it possible to compact the powder of material B and to obtain the preform 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 TSps comprise entre 1550 et 1850°C pendant une durée tSPs de préférence entre 1 et 20 minutes sous une pression PSPs 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. The flash co-sintering (“SPS” for “Spark Plasma Sintering”) of the preforms PI and P2 (FIG. 6G) is then carried out in a controlled atmosphere at a temperature T Sp s of between 1550 and 1850 ° C. for a period t SP s preferably between 1 and 20 minutes under a pressure P SP s between 30 to 100 MPa with a rise and / or fall in temperature vc between 30 to 200 ° C / min. During this treatment, the preforms PI and P2 are under pressure from the upper piston 33 and the lower piston 31. Particular temperature and pressure cycles (a) and (b) of this sintering step are illustrated in 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. It is recalled here that the SPS technology combines, simultaneously, the application of a high uniaxial pressure and high intensity direct current pulses causing an almost immediate and uniform temperature rise. Besides the time and rate of heating, the most important parameter for the SPS sintering process is the sintering temperature. The two preforms to be assembled may be of the same ceramic or else each of the parts to be assembled may be of a different ceramic (which is the case here). The surfaces to be assembled are then brought into contact without any addition of any kind being placed between these surfaces. Pressure contact is established between the two facing surfaces to be assembled. Then, while maintaining the pressure, a pulsed electric current is applied to said preforms so as to raise the temperature of the preforms. In other words, when everything is in contact, an electric current is generated in order to create the temperature rise. Once the assembly is complete, the application of the electric current and the pressure is stopped, and the preforms are cooled.
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). The flash sintering treatment allows not only the co-sintering of the two preforms PI and P2, but also the welding of the latter to obtain a single dense composite part (FIG. 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. In other words, at the end of the treatment by flash sintering, a dense composite part is thus obtained for which the second composite material B is integrated into the first material A by welding obtained by sintering.
On extrait les préformes assemblées et on évalue alors la profondeur du motif après le frittage et la quantité de matériau B à retirer. The assembled preforms are extracted and the depth of the pattern after sintering and the amount of material B to be removed are then evaluated.
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. The second preform P2 is then rectified, preferably by polishing, consisting in removing the part of the second preform P2 located above said face of the first preform PI without removing the other part of the second preform forming a three-dimensional volume disposed in the first preform.
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. After polishing, a composite part 11 of good mechanical strength is obtained (FIG. 61) having a substrate 111 provided with a cylindrical volume 112 at its center, this volume consisting of the composite with controlled electrical and thermal conductivities. It will be understood that these steps are also implemented when several three-dimensional volumes are placed in the first preform.
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. This composite part 11 produced by co-sintering the two preforms PI and P2 is obtained by applying a single thermomechanical cycle, which represents a significant saving in terms of time and energy. Observation with an optical microscope revealed the absence of cracks at the interfaces of materials A and B (the TDCs of ceramics are similar) suggesting the presence of low thermomechanical stresses, much lower than the breaking stress of materials A and B, nor diffusion of material B to material 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. Examination of a polished cross section of this composite part 11 made it possible to measure the depth of material B after sintering. It is of the order of 150 μm, which indicates a substantial shrinkage, ie 450 μm, of the entire part.
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. As regards the composite parts 11 of FIG. 13 for which one or more three-dimensional volumes 112 are embedded within the substrate 111, the manufacturing process comprises the following steps illustrated in FIG. 15. In a first step (S30), a first PI preform is made consisting of the first material A and intended to form the substrate 111, and at least one hollow imprint is obtained on one face of said first PI preform, each hollow imprint being configured to define a three-dimensional volume 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. Said at least one hollow cavity is then completely or partially filled (S31) with the second material B so as to produce at least one second preform P2 forming said at least one three-dimensional volume 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. The method then comprises a step (S32) of depositing a layer of first material A so as to cover and embed said at least one second preform P2 in the first preform PI, then the first preform PI and said preform are assembled (S33). at least a second preform P2 by sintering so as to obtain the composite part 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 TSPs comprise entre 1550 et 1850°C pendant une durée tSPs de préférence entre 1 et 20 minutes sous une pression PSPs 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 + x4 %m Y203 + x2 %m CaF2) et une préforme P2 faite du matériau B (AIN + x4 %m Y203 + x2 %m CaF2 + y vol.% MCG avec 0,5 £ Xi £ 6 m%, 1 £ x2 £ 7 m% et 0,01 £ y £ 10 vol.% (en pourcentage de masse m% ou de volume vol.%). Whatever the manufacturing process envisaged to obtain a composite part comprising one or more three-dimensional volumes located on one face of the substrate or else embedded in the latter, the flash co-sintering of the preforms PI and P2 is carried out in a controlled atmosphere at a temperature T SP s between 1550 and 1850 ° C for a period t SP s preferably between 1 and 20 minutes under a pressure P SP s between 30 to 100 MPa with a rise and / or fall in temperature vc between 30 to 200 ° C / min, for a PI preform made of material A (AIN + x 4 % m Y 2 0 3 + x 2 % m CaF 2 ) and a P2 preform made of material B (AIN + x 4 % m Y 2 0 3 + x 2 % m CaF 2 + y vol.% MCG with 0.5 £ Xi £ 6 m%, 1 £ x 2 £ 7 m% and £ y £ 10 vol.% (As a percentage of mass m% or 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. It should be noted that the sintering of the PI and P2 preforms can be obtained, in a variant, by conventional sintering, such as natural sintering or under load (called "HP" for "Hotpressing" in English), or isostatic sintering, or unconventional sintering, such as flash sintering (SPS), or laser sintering, or microwave sintering.
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. It should be noted that the methods for producing the preforms PI and P2 may be different from that described above, consisting of powder compacting. Thus, the PI and P2 preforms can be obtained by the same technique or by different techniques (hybrids) chosen from the techniques of extrusion, pressing of cast strips (polymer / ceramic composite), deposition by screen printing, deposition by jet. ink and any additive manufacturing technique.
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. Description of the process in the context of an application to power electronics An example of interest of this process, detailed below, is the production of a composite part based on aluminum nitride (AIN) for power electronics applications.
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. The invention is of course not limited to this example (geometries and / or properties), nor to this particular field of application of power electronics.
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. This method makes it possible to improve the performance of high voltage power modules for the conversion of electrical energy in terms of voltage withstand by localized action on the electrical conductivity and permittivity of the metallized ceramic substrate.
Classiquement, un module de puissance est constitué de deux principaux matériaux isolants : le substrat en céramique (Type Al203, Si3N4, 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. Conventionally, a power module consists of two main insulating materials: the ceramic substrate (Type Al 2 0 3 , Si 3 N 4 , AIN) and the encapsulating medium (most often a silicone gel or an epoxy resin). As pointed out before, the interface of these two insulators is one of the weak points of the power module, and more precisely the junction between the substrate, the metallization and the encapsulation which is a zone of increase of the electric field. This reinforcement zone constitutes a critical point of the insulation system where the electric field is the highest.
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. The invention makes it possible to act by reducing the level of the electric field at the triple point by a spreading of the potential lines. This spreading is obtained by acting on the electrical conductivity by incorporating a conductive additive in the ceramic material forming the substrate.
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. In other words, the invention consists in locally modifying the properties of the ceramic material at the level of the triple point by controlling the electrical conductivity and permittivity in several predefined three-dimensional geometric zones.
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. Three implementations are proposed in Figure 8A, 8B and 8C, the first using a striped modified conductivity layer on the substrate (Figure 8A), the second in which a modified electrical conductivity pocket is located under each triple point (Figure 8B), and the third in which said modified ceramic pocket is integrated under each triple point and extends under the metallization and not only at the edges (FIG. 8C). Each of these pockets corresponds to a three-dimensional volume obtained according to the method described above.
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). For the second and third implementations of FIGS. 8B and 8C, the first ceramic material A is, for example, based on aluminum nitride (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. It is thus proposed to add to the ceramic powder, here AIN, a conductive additive (called a conductive addition) making it possible to locally modify the electrical properties of the material so as to provide one or more pockets of ceramic material B - here modified AIN ( electrically) -, but also to propose an adapted object geometry and to shape the modified AIN / AIN assembly using a sintering method (flash for example) described in detail previously.
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. Thus, the process for producing composite parts makes it possible to manufacture a heterogeneous AIN ceramic substrate integrating in volume one or more pockets with controlled electrical and thermal properties.
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. The approach of the invention consists in acting on the properties of the ceramic and makes it possible to give the ceramic substrate new properties at the heart of the latter.
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 Y203 Material B includes AIN aluminum nitride which is modified by incorporating: - a sintering additive to promote sintering in the liquid phase of the material during the SPS treatment and to remove the oxygen impurities in the material: it can be yttrium oxide 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 CaF2 - an additive to reduce the quantity of secondary phases formed at the grain boundaries during sintering: it may be calcium fluoride 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). - conductors such as multilayers of graphene (MCG) in order to take advantage of the mobility of high charge carriers of the graphene sheets: this makes it possible to adjust the electrical properties and in particular to play on the electrical conductivity and permittivity of material B (Modified AIN).
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. According to a particular embodiment, the substrate can comprise on one of its faces several volumes, called here pockets, with controlled electrical and thermal properties. These pockets are formed on one face of the substrate by the manufacturing method described above, by the implementation of a particular relief on the impression piston when the solution described in relation to FIGS. 6A to 61 is implemented.
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. According to another particular embodiment, the interior of the substrate can comprise several three-dimensional volumes, or pockets, with controlled electrical and thermal properties. In other words, these three-dimensional volumes are buried within the substrate.
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. Observations carried out by the inventors show that the compound / material B displays, for the relatively high fractions of MCG (for example at 2.5 vol%), an electrical conductivity insensitive to the frequency, indicating a resistive behavior over the entire range of frequency explored. The samples produced display almost identical values revealing a remarkably high degree of reproducibility. This increase in electrical conductivity is linked to the presence of a high number of graphene monolayers endowed with a higher mobility of charge carriers, which induces more interesting electrical effects in the ceramic matrix 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. Compound / material B displays, for smaller fractions of MCG (eg at 1.25 vol%), a frequency dependent electrical conductivity, indicating capacitive behavior over the entire frequency range explored. The incorporation of these compounds in the ceramic based on AIN by co-sintering causes a local increase (in the pockets) of the electrical conductivity of the latter. Thus, the object of the invention is to modify the substrate and in particular to locally modify (at the triple point "ceramic (based on AIN) insulating / metallization / silicone gel") the electrical conductivity so as to reduce the field at triple point.
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. This approach is implemented before the metallization of the ceramic whereas, in the prior art, it is proposed to act by modifying the surface after the metallization of the ceramic.
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. In addition to the technological functions (electrical insulation, thermal conduction (heat extraction), support and mechanical strength) provided by a conventional substrate in a power module, the composite part described above can fulfill the function of the gradation of the electric or potential field. in such a module by controlling the electrical conductivity and permittivity in volumes integrated in the substrate. The approach adopted for this process makes it possible to produce a completely dense part, exhibiting excellent mechanical strength.
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. The use of a ceramic substrate at the present time remains essential in high voltage power modules, in particular from the point of view of heat transfer. Despite everything, the thermal dimensioning strongly limits the increase in the thickness required to withstand an increase in the level of voltage withstand. The solution presented makes it possible to optimize the compromise existing between “high voltage withstand” and “high thermal dissipation” of the structure under application conditions, a compromise which is based on the thickness of the ceramic.
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). By way of illustration, a first example of the structure of a composite substrate for a power electronics module is given for which a cylindrical pattern made of a composite material (material B) with controlled electrical conductivity and permittivity is integrated into the heterogeneous insulating ceramic (material 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%mY203 + x2%m CaF2. Le composite B présente un diamètre de 14 mm et une épaisseur de 150 pm. Il est composé de AIN + Xi%m Y203 + x2%m CaF2 + y vol.% MCG (multicouches de graphène) ou y vol.% d'un autre matériau carboné, de MoS2, ou de WS2. On donne ici une plage de valeurs de fraction pour chacun des ajouts : 0,5 - 6 m% pour Y203 et 1 - 7 m% CaF2 et 0,01 £ y £ 10 vol.% (en pourcentage de masse m% ou de volume vol.%). In this first example, ceramic A has a diameter of 20 mm and a thickness of 2 mm. It is composed of AIN + Xi% mY 2 0 3 + x 2 % m CaF 2 . Composite B has a diameter of 14 mm and a thickness of 150 µm. It is composed of AIN + Xi% m Y 2 0 3 + x 2 % m CaF 2 + y vol.% MCG (multilayers of graphene) or y vol.% Of another carbonaceous material, of MoS 2 , or of WS 2 . We give here a range of fraction values for each of the additions: 0.5 - 6 m% for Y 2 0 3 and 1 - 7 m% CaF 2 and 0.01 £ y £ 10 vol.% (in percentage of mass m% or 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). By way of illustration, other examples of the structure of a composite substrate for a power electronics module are given for which a cylindrical pattern in a composite with a ceramic matrix (material B) with controlled electrical conductivity and permittivity is given. integrated in the insulating ceramic (material A).
Pour tous ces exemples, la conductivité électrique oA de la céramique A est inférieure à la conductivité électrique oB de la céramique B. For all these examples, the electrical conductivity o A of ceramic A is lower than the electrical conductivity o B of ceramic 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 Y203, CaF2). 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.%). According to a particular implementation, ceramic A is composed of AIN and sintering additions (rare earths and / or alkaline-earth oxides, such as Y 2 0 3 , CaF 2 ). In this case, the composite B can be composed of AIN + y vol. % MCG (multilayers of graphene), or of AIN + y vol. % CNT (carbon nanotubes) or AlN + y vol. % carbon with 0.01 £ y £ 10 vol.% (in percentage of volume vol.%).
Selon une autre mise en œuvre particulière, la céramique A est composée de Al203. Dans ce cas de figure, le composite B peut être composé de Al203 + y vol. % MCG (multicouches de graphène), ou bien de Al203 + y vol. % NTC (nanotubes de carbone) avec 0,01 < y < 10 vol.% (en pourcentage de volume vol.%). According to another particular implementation, ceramic A is composed of Al 2 0 3 . In this case, the composite B can be composed of Al 2 0 3 + y vol. % MCG (multilayers of graphene), or of Al 2 0 3 + y vol. % CNTs (carbon nanotubes) with 0.01 <y <10 vol.% (In percentage of volume vol.%).
Selon encore une autre mise en œuvre particulière, la céramique A est composée de Si3N4 ou SiAION. Dans ce cas de figure, la céramique composite B peut être composée de Si3N4 ou SiAION respectivement + y vol. % MCG (multicouches de graphène), ou bien de Si3N4 ou SiAION respectivement + y vol. % NTC (nanotubes de carbone) avec 0,01 < y < 10 vol.% (en pourcentage de volume vol.%). According to yet another particular implementation, ceramic A is composed of Si 3 N 4 or SiAION. In this case, the composite ceramic B can be composed of Si 3 N 4 or SiAION respectively + y vol. % MCG (multilayers of graphene), or of Si 3 N 4 or SiAION respectively + y vol. % CNTs (carbon nanotubes) with 0.01 <y <10 vol.% (In percentage of volume vol.%).
La fraction « y » correspond à celle de l'ajout conducteur (MCG, NTC, carbone, MoS2 ou WS2) qu'on introduit dans le composé (AIN, Al203, Si3N4 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. The “y” fraction corresponds to that of the conductive addition (MCG, CNT, carbon, MoS 2 or WS 2 ) which is introduced into the compound (AIN, Al 2 0 3 , Si 3 N 4 or SiAION) to modify its electrical conductivity and permittivity. The “y” fraction is optimized to achieve the desired electrical conductivity in the composite B which is integrated in the pockets of the ceramic A with the aim of reducing the electric field at the triple points.
Les multicouches de graphène (MCG) peuvent être obtenues par l'exfoliation du graphite dans l'alcool isopropylique de préférence au moyen de la sonotrode. Multilayers of graphene (MCG) can be obtained by exfoliation of graphite in isopropyl alcohol, preferably by means of the 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. The experimental conditions of the exfoliation are selected and the duration of this operation is between 1 and 12 h so as to produce MCGs with a quality allowing, on the one hand, to reach the value of the electrical conductivity at a low level of MCG and, on the other hand, to promote the most uniform possible distribution in the ceramic matrix AIN, necessary for the reproducibility of the results. A low level of MCG will also help to preserve thermal conductivity.
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. The choice of isopropyl alcohol as solvent for the exfoliation of graphite is governed by its low evaporation temperature (82.6 ° C.) allowing the solvent to be easily separated from the final mixture of the powder.
La poudre (AIN + ajouts de frittage) est préparée à partir du mélange AIN + Xi %m Y203 + x2 %m CaF2 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. The powder (AIN + sintering additions) is prepared from the mixture of AIN + Xi% m Y 2 0 3 + x 2 % m CaF 2 which is homogenized in absolute alcohol (dispersing solvent) using a mechanical mixer adjusted to a rotation preferably between 100 and 500 rpm for a period of between 1 and 5 hours. The powder is then heated at 80 ° C for 15 h to remove the solvent.
La poudre (AIN + Xi %m Y203 + x2 %m CaF2) + 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 Y203 + x2 %m CaF2 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. The powder (AIN + Xi% m Y 2 0 3 + x 2 % m CaF 2 ) + y vol.% MCG is prepared as follows: the graphene multilayers (MCG) dispersed in isopropyl alcohol are introduced with the AIN mixture + Xi% m Y 2 0 3 + x 2 % m CaF 2 in a glass flask which was then fixed in the rotary evaporator. The flask is subjected to a rotation of between 50 and 100 rpm for a period of between 1 and 5 hours to homogenize the solution. The system is then placed under vacuum to reduce the partial pressure of the solvent. The vapor produced is sucked in, then condensed using a cooling circuit, and the liquid solvent is finally conveyed to a recovery tank.
Les céramiques hétérogènes et nanocomposites à matrice céramique sont élaborées comme suit : les mélanges de poudre préparés (AIN + Xi %m Y203 + x2 %m CaF2) et (AIN + Xi %m Y203 + x2 %m CaF2 + y vol.% MCG) sont traités par frittage flash (SPS) sous atmosphère contrôlée avec les conditions de mise en forme : TSPs = 1550 - 1850°C, PSPs = 30 - 100 MPa, tSPs = 1 - 20 min et vc = 30 - 200°C/min. Heterogeneous ceramics and nanocomposites with a ceramic matrix are produced as follows: the powder mixtures prepared (AIN + Xi% m Y 2 0 3 + x2 % m CaF 2 ) and (AIN + Xi% m Y 2 0 3 + x 2 % m CaF 2 + y vol.% MCG) are treated by flash sintering (SPS) in a controlled atmosphere with the forming conditions: T SP s = 1550 - 1850 ° C, P SP s = 30 - 100 MPa, t SP s = 1 - 20 min and 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. Simulations allowed a quantitative measurement of the effect of the proposed solution on the distribution of the electric field in materials in the vicinity of the triple point in a power electronics module.
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 : EAIN = 8,8 ; conductivité électrique : sA|N = ÎO 13 S/m), d'épaisseur 635 miti, encapsulé par un gel silicone (egei = 2,7 ; ogei = 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. As a reference, the results obtained in the case of a 4.8 kV voltage rating power module, made up of an AIN substrate (dielectric permittivity: E A I N = 8.8; electrical conductivity: s A | N = ÎO 13 S / m), 635 miti thick, encapsulated by a silicone gel (e gei = 2.7; o gei = 10 13 S / m). The copper electrode on the upper face (300 μm thick) is connected to the source delivering an alternating voltage of 4.8 kV at 50 Hz (reference frequency with respect to the results of the bibliography, it is also that of the partial discharge (PD) threshold test according to IEC 1287). The electrode on the lower face is connected to ground. The geometry of the edge of the copper electrode was simulated on the basis of an actual etching profile (measured from a sectional view of a commercial substrate wafer): it appears that this profile is a very important factor. influence the quantitative result of the field.
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. FIG. 9 illustrates the distribution of the electric field and of the equipotentials for a reference structure with a homogeneous ceramic substrate. We visualize a concentration of the equipotentials around the triple point (electrode / silicone gel / ceramic AIN) and a maximum electric field of 55.5 kV / mm, located in the ceramic, to which the arrow in FIG. 9 points. The electric field is represented by a gradient of colors, the highest values correspond to the warmest colors and the weakest fields to the cooler colors. The equipotential lines are those represented by lines. The value of the maximum field in the gel near the triple point is evaluated at 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 (ero<±q = 8,8 ; opoChe = 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. FIG. 10 illustrates the distribution of the electric field and the equipotentials for a structure with a ceramic substrate with controlled conductivity in a zone "with pocket" of modified ceramic and makes it possible to visualize the effect of a pocket with controlled electrical conductivity (e ro < ± q = 8.8; o poChe = 1.8 × 10 7 S / m), depth 50 μm and width 500 μm, on the distribution of equipotentials and the values of the electric field in the vicinity of the triple point.
Pour cette valeur particulière de conductivité électrique de la céramique dans la poche, il a été observé : For this particular value of electrical conductivity of the ceramic in the pocket, it was observed:
- 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), - a decrease in the maximum electric field at the triple point (PT Zone, the 'triple point' in figure 10) under the electrode of nearly 50% (28 kV / mm against 55 kV / mm for the homogeneous substrate) ,
- 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). - a "sharing" of the maximum stress in the field with other zones, in particular at the edge of the pocket (zone R of 'transfer' in FIG. 10), where a reinforcement of the field is obtained on the surface in the gel (with a maximum value of 26 kV / mm) and in depth in the ceramic (with a maximum value of 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. This reduction in the maxima of the electric field is of major interest in terms of improving the reliability and increasing the voltage of electronic power devices.
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. The distribution of the electric field is dependent on the electrical conductivity of the modified ceramic pocket and this dependence is a function of the frequency of the voltage applied.
L'influence du paramètre opoChe 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. The influence of the o poChe parameter is given by the simulation results presented in figure 11 where the values of the maximum electric fields are reported in the three zones (ceramic (AIN), pocket (modified AIN) and silicone gel) as a function of the electrical conductivity in the modified ceramic pocket (on the abscissa) of the structure of figure 10.
Il est observé pour une excitation sinusoïdale à 50 Hz d'amplitude 4,8 kV que : It is observed for a sinusoidal excitation at 50 Hz of amplitude 4.8 kV that:
- 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, - the pocket becomes influential for a conductivity greater than lxlO 8 S / m, value from which the maximum field in the pocket and in the gel begins to decrease in the PT zone (figure 10) of the triple point, and the maximum field in the ceramic and the gel in the zone R (figure 10) at the edge of the pocket begins to increase,
- 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), - for a particular value of the conductivity close to 2xl0 7 S / m, a balance is obtained between the values of the field peaks in the zones PT and R: this is the case presented previously in figure 10 for which the maximum of field in the whole insulating structure is the weakest (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 opoChe = 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. - for a conductivity in the pocket higher than this value, the reinforcement of the field is transferred entirely to the zone R (figure 10), with values of the maximum fields in the ceramic (41 kV / mm) and in the gel (33 kV / mm) which increase compared to the optimal case, but which are in all cases reduced compared to the case without pocket (corresponding here to the case with o pocket = 10 13 S / m). It should be noted, however, that the intensity of the field reinforcement in this zone R will also depend on the profile of the edge of the pocket.
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, opoChe devant être supérieure à une certaine valeur minimale (de 2xl07 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. The simulation thus makes it possible to know the range of electrical conductivity favorable to the reduction of the field reinforcement in the structure for operation at a given frequency. It also shows that this range is extended, o poChe to be greater than a certain minimum value (2xl0 7 S / m, for 50 Hz), for which all the maximum fields of the structure will have been reduced, and beyond which, we will benefit at least from the suppression of the field peak at the metallization edge (point PT), or even also of a maximum field peak in the gel compared to the case with a homogeneous substrate (FIG. 9), which is smaller and at the edge of the pocket.
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 : In summary, this digital study shows that the range of electrical conductivity to be obtained, in order to be able to benefit from a significant reduction in the electrical stress on the insulators of the module, is wide. It also demonstrates a dual interest of the proposed concept, which allows:
- 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) ; - a transfer of the field stress to the end of the pocket, far from the area for improvement in the vicinity of the triple point (electrode etching defects, irregular etched metal edges, solder burrs, cavities in the 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. - a very significant gain in the maximum field stress undergone by the insulators: ie 50% for optimum electrical conductivity in the pocket, and up to 100% in the area of the triple point PT; ie 25% for the ceramic, and 35% for the gel in the transfer zone R, for any conductivity in the pocket greater than this 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. In the context of a structure with a pocket with controlled electrical conductivity (FIG. 10), a variation in the frequency of the sinusoidal supply voltage was carried out as a function of the variation in the conductivity of the pocket. The result is shown in 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. These results indicate that, for a given structure (given dimensions and material properties), the properties s, e 'and e "of the modified AIN material of the pocket must be chosen according to the maximum operating frequency in the application. aimed, in order to ensure effective protection (ie reduction of the peak field at the triple point) whatever the conditions of use.
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. The steps for making a power module with IGBT, MOSFET ("Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor"), or JFET ("Junction Field Effect Transistor") transistors, such as the one partially illustrated in FIG. 8B, are highlighted. work according to well-known techniques from microelectronics.
Sa structure est constituée d'un empilement de différents éléments. Its structure consists of a stack of different elements.
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. A first electrical contact, high potential, connected to a high voltage supply, and a second electrical contact, low potential, connected to ground are arranged on the ceramic substrate on the surface of which have been formed pockets of ceramic material with controlled conductivity and permittivity, these pockets being designed so as to reduce the formation of partial discharges when the component is under voltage. Another electrical contact (not shown in the figure) is arranged on the underside of the layer of ceramic material and connected to ground. These elements form the metallized ceramic substrate. The module further comprises a support made of copper (Cu) or of an aluminum-silicon carbide alloy (AlSiC), commonly called a sole on which the metallized ceramic substrate is placed.
Ces éléments sont recouverts d'une couche de matériau de protection (ou d'encapsulation) électriquement isolant. These elements are covered with a layer of electrically insulating protective (or encapsulating) material.
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. The method according to the invention therefore makes it possible to guarantee the manufacture of an electrical component having better resistance to electrical voltage, fewer partial discharges and consequently an increased lifetime.
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. FIGS. 16 and 17 show two types of composite parts making it possible to illustrate the ranges of values relating to the dimensions of the composite part for the general case and the case of the example of power electronics.
Pour le cas général, le diamètre dA 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 dA du substrat est égal à 20 mm et le diamètre dB du volume tridimensionnel est de 14 mm. Le diamètre minimum dB du volume tridimensionnel est compris entre 1 et 2 mm et le diamètre maximum dB du volume tridimensionnel est compris entre la valeur dB 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 dm entre les volumes tridimensionnels est supérieure ou égale à une valeur comprise entre 1 et 2 mm. For the general case, the diameter d A of the substrate (here of cylindrical shape) of the composite part is between 8 and 80 mm, the height h of the substrate is between 0.5 and 50 mm. By way of example, the diameter d A of the substrate is equal to 20 mm and the diameter d B of the three-dimensional volume is 14 mm. The minimum diameter d B of the three-dimensional volume is between 1 and 2 mm and the maximum diameter d B of the three-dimensional volume is between the minimum d B value and 18 mm. The depth e of the three-dimensional volume is between 5 μm and the value of the height h of the substrate. The distance d m between the three-dimensional volumes is greater than or equal to a value between 1 and 2 mm.
Pour le cas d'un substrat composite d'un module de puissance, le diamètre dA 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 dB 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 dm 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. For the case of a composite substrate of a power module, the diameter d A of the substrate (here of cylindrical shape) of the composite part is 130mm x 180mm (Master Card - Substrate), the height h of the substrate is included between 0.127 and 2 mm, the diameter d B of the three-dimensional volume ranges from 4mm x 4mm to 125mm x 175mm. The depth e of the three-dimensional volume is less than half of the height h of the substrate. The distance d m between the three-dimensional volumes is greater than or equal to 2 mm and depends on the level of tension. The process described above is intended for the manufacture of electrical power modules and components. It is clear, however, that it can easily be adapted to other 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). The applications of the solution developed by the inventors are diverse and relate, for example, to ceramic substrates for power electronics in application to the conversion of high and very high voltage energy (beyond 500V) in the fields of transport (automobile, train, tramway, metro, naval and avionics) and electricity production (wind and photovoltaic development and the emergence of continuous HVDC electrical networks).
D'autres matériaux céramiques (Al203, Si3N4, 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. Other ceramic materials (Al 2 0 3 , Si 3 N 4 , for example) having different physical properties can be used for the application in power electronics and local optimization in volume of other types of properties (thermal, mechanical, optical, etc.) using other carbon, ceramic or metallic particles.
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. The modification on a specific imprint of the electrical properties of ceramic could, moreover, be applied to other fields of electrical engineering, such as for example connectors and cable passages.
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. The process can be used to produce conductive ceramic tracks instead of applying metal tracks (copper, silver, etc.) to insulating substrates. In this case, the conductive ceramic tracks can be integrated in the vicinity of the surface of the substrate, which allows use at high temperature which is much sought after in electronics.
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). Besides the electronic field, these ceramic contacts can be used in the field of the conversion of thermal energy into electricity by means of thermoelectric generators (TE). Indeed, the process will make it possible to apply these contacts to the ends of semiconductor ceramics produced in the form of TE legs (bars). This would help reduce the electrical and thermal resistance at the interfaces (often very high at the ceramic / metal leg interfaces) and consequently preserve the efficiency of the generator. Ceramic contacts would also enhance the reliability of TE legs at high temperatures. In the same field of thermoelectric generators, the process will also make it possible to manufacture ceramic TE legs fully integrated in a protective ceramic. This will serve to protect many TE materials which are unstable in air and at operating temperature. Many materials are concerned (example: Skutterudite materials).
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. The integration of passive components requires materials whose functions can be very varied (conductors, insulators, dielectrics and magnetic). Today, most technologies are based on the assembly of discrete components, but in order to gain in power density, functions are increasingly shared in a reduced volume. The ultimate goal is to obtain a single element which integrates most, if not all of the functions of the liabilities. The proposed process opens the way to ceramic structures integrating the four functions on the same object which will require 3D structures, initially, to integrate the connections (conductive materials) within the insulators or dielectrics, and which will ultimately allow a new geometric design of magnetic and / or dielectric functions.
Les avantages du procédé sont les suivants : The advantages of the process are as follows:
intégration tridimensionnelle 3D d'un ou plusieurs composés, three-dimensional 3D integration of one or more compounds,
maîtrise des motifs intégrés, mastery of integrated patterns,
étapes simples et faciles à mettre en œuvre, simple and easy to implement steps,
densification et soudage simultanés par frittage SPS de deux ou plus matériaux de compositions distinctes, simultaneous densification and welding by SPS sintering of two or more materials of different compositions,
élaboration en une seule étape dans le cas du frittage flash SPS, processing in a single step in the case of SPS flash sintering,
possibilité d'effectuer le frittage par d'autres techniques de mise en forme (Ex. pressage à chaud conventionnel (Hotpressing - HP)), possibility of sintering using other shaping techniques (e.g. conventional hot pressing (Hotpressing - HP)),
application d'un seul cycle thermomécanique, ce qui représente un gain significatif en termes de temps et d'énergie. application of a single thermomechanical cycle, which represents a significant saving in terms of time and energy.
Les avantages du composé développé sont les suivants: The advantages of the developed compound are as follows:
conductivité électrique contrôlée, controlled electrical conductivity,
conductivité thermique préservée, preserved thermal conductivity,
propriétés mécaniques contrôlables, controllable mechanical properties,
stable aux conditions de frittage du substrat. stable to the sintering conditions of the substrate.
Les avantages des pièces composites fabriquées sont les suivants: The advantages of manufactured composite parts are as follows:
pièces à fonctions multiples et variées, propriétés et géométries contrôlées, parts with multiple and varied functions, controlled properties and geometries,
interfaces 3D maîtrisées, mastered 3D interfaces,
degré de reproductivité très élevé, jusqu'à 100%, very high degree of reproducibility, up to 100%,
densité très élevée, jusqu'à 99%, very high density, up to 99%,
bonne tenue mécanique. good mechanical strength.
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%. For power electronics applications, the use of a composite part can lead to a reduction in constraints (in particular electrical, thermal, thermo-mechanical), such as for example a reduction in the value of the maximum electric field by 50% .
Anisotropie de la conductivité électrique Anisotropy of electrical conductivity
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. The inventors have observed that there is a direct link between the exfoliation conditions (quality of the particles, number of sheets, size of sheets, concentration) and the anisotropy factor (the anisotropy factor being the ratio of conductivities in the planes parallel and perpendicular to pressing), this factor being more particularly improved for composites sintered uniaxially by SPS sintering. It should be remembered that SPS technology combines, simultaneously, the application of a high uniaxial pressure (figure 18) and high intensity direct current pulses causing an almost immediate and uniform rise in temperature.
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 1012, particulièrement entre 103 et 1010, plus particulièrement entre 103 et 108 et plus particulièrement encore entre 103 et 10e. The results of the electrical measurements show a very large difference between the electrical conductivities in the direction parallel and perpendicular to the pressing. The values of the anisotropy factor, measured at 50 Hz, can reach a factor between 150 and 10 12 , particularly between 10 3 and 10 10 , more particularly between 10 3 and 10 8 and more particularly still between 10 3 and 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. The results show that it is a fine control of the conditions of exfoliation and of the concentration of particles (MLG (Multi Layer Graphene), BN, MoS2, W, among others) in the ceramic which allows these factors to be achieved. 'anisotropy.
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. In the example of the intended application (ceramic substrate), this property is very relevant because it allows the potential to be graded, only in the useful direction and not to the detriment of the insulation in the thickness of the ceramic.
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 103 et 10s (mesuré à 50 Hz) étant obtenu par frittage sous charge ou frittage flash notamment. The anisotropy factor can therefore be modulated through the exfoliation conditions. The anisotropy can be adapted according to the production process, the factor included between 10 3 and 10 s (measured at 50 Hz) being obtained by sintering under load or flash sintering in particular.
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. The very important anisotropy factors that the inventors have measured make it possible to have a material with conductive behavior in the direction s perpendicular to the pressing, and a dielectric or insulating behavior in the direction sm parallel to the pressing as illustrated in FIG. 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 103. Figure 19 shows the electrical conductivity parallel and perpendicular to the pressing axis for a sample AIN + 1 m% Y203 + 2 m% CaF2 + 2.5 vol% MCG, with a total exfoliation time of 2h + 2h + lh. As illustrated in this figure, the anisotropy factor is here equal to 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. This opens the way to an additional degree of freedom compared to the 3D geometry of the patterns. For example, the potential gradation could preferably take place in the metallization plane (in a metallized substrate) which makes it possible to keep the dielectric or insulating property in the thickness of the substrate. This approach allows the optimization of the development of a ceramic matrix nanocomposite including multilayers of graphene (Ex. AiN - MCG), integrated into the volumes of the part, displaying an anisotropy of electrical conductivity never equaled to date. This is achieved through careful optimization of the production of graphene multilayers by exfoliation of graphite. Such an anisotropy is controllable and gives a conductivity with two main components, a low conductivity, close to that of the substrate, in a first direction and a high conductivity in a second direction perpendicular to the first direction.

Claims

REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une pièce composite (11) comprenant : CLAIMS 1. A method of manufacturing a composite part (11) comprising:
un substrat (111) constitué d'un premier matériau (A), ledit premier matériau (A) étant une céramique ou un composite à matrice céramique, et a substrate (111) made of a first material (A), said first material (A) being a ceramic or a ceramic matrix composite, and
plusieurs volumes tridimensionnels (112) disposés dans ledit substrat (111), chacun desdits volumes tridimensionnels (112) étant constitué d'un deuxième matériau (B) qui est une céramique ou un composite à matrice céramique présentant une conductivité électrique, une permittivité et une conductivité thermique prédéfinies, lesdits volumes tridimensionnels (112) étant constitués d'une même céramique ou d'un même composite à matrice céramique ou bien de céramiques ou composites à matrice céramique différents, a plurality of three-dimensional volumes (112) disposed in said substrate (111), each of said three-dimensional volumes (112) being made of a second material (B) which is a ceramic or a ceramic matrix composite having electrical conductivity, permittivity and predefined thermal conductivity, said three-dimensional volumes (112) being made of the same ceramic or the same ceramic matrix composite or else of different ceramics or ceramic matrix composites,
le procédé comprenant les étapes suivantes : the method comprising the following steps:
réalisation (S30) d'une première préforme (PI) constituée du premier matériau (A) et destinée à former le substrat (111) et obtention de plusieurs empreintes (EM) creuses sur une face de ladite première préforme (PI), chacune desdites empreintes (EM) creuses étant configurée pour délimiter un desdits volumes tridimensionnels (112), remplissage (S31) total ou partiel de chacune desdites empreintes (EM) creuses avec le deuxième matériau (B) de sorte à réaliser des deuxièmes préformes (P2) formant chacune un desdits volumes tridimensionnels (112), production (S30) of a first preform (PI) made of the first material (A) and intended to form the substrate (111) and obtaining several hollow impressions (EM) on one face of said first preform (PI), each of said hollow impressions (EM) being configured to delimit one of said three-dimensional volumes (112), total or partial filling (S31) of each of said hollow impressions (EM) with the second material (B) so as to produce second preforms (P2) forming each one of said three-dimensional volumes (112),
assemblage (S33) par frittage de la première préforme (PI) et des deuxièmes préformes (P2) de sorte à obtenir la pièce composite (11). assembly (S33) by sintering of the first preform (PI) and of the second preforms (P2) so as to obtain the composite part (11).
2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que, postérieurement à l'étape de remplissage (S31) et préalablement à l'étape assemblage (S33) de la première préforme (PI) et des deuxièmes préformes (P2), le procédé comprend une étape (S32) de dépôt d'une couche constituée du premier matériau (A) de sorte à recouvrir et noyer les deuxièmes préformes (P2) dans la première préforme (PI). 2. Manufacturing process according to claim 1, characterized in that, subsequent to the filling step (S31) and prior to the assembly step (S33) of the first preform (PI) and of the second preforms (P2), the method comprises a step (S32) of depositing a layer consisting of the first material (A) so as to cover and embed the second preforms (P2) in the first preform (PI).
3. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les préformes (PI, P2) 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.3. Manufacturing process according to claim 1 or 2, characterized in that the preforms (PI, P2) are obtained by the same technique or techniques various techniques chosen from extrusion, cast strip pressing, screen printing deposition, inkjet deposition and additive manufacturing processes.
4. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les préformes (PI, P2) sont obtenues par compactage de poudre. 4. Manufacturing process according to claim 1 or 2, characterized in that the preforms (PI, P2) are obtained by compacting powder.
5. Procédé de fabrication selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : 5. The manufacturing method according to claim 4, characterized in that it comprises the following steps:
- mise en place dans un moule (30) d'une première couche du premier matériau (A) en poudre destinée à former le substrat (111) ; - Placement in a mold (30) of a first layer of the first powder material (A) intended to form the substrate (111);
- compactage de la première couche de sorte à former la première préforme (PI) et obtention de plusieurs empreintes (EM) creuses sur une face de ladite première préforme (PI), chacune desdites empreintes (EM) creuses étant configurée pour délimiter un desdits volumes tridimensionnels (112) ; - compacting the first layer so as to form the first preform (PI) and obtaining several hollow impressions (EM) on one face of said first preform (PI), each of said hollow impressions (EM) being configured to delimit one of said volumes three-dimensional (112);
- mise en place dans ledit moule (30) d'une deuxième couche du deuxième matériau (B) de sorte à recouvrir ladite face de la première préforme (PI) et remplir lesdites empreintes (EM) creuses pour former les volumes tridimensionnels (112) ; - placement in said mold (30) of a second layer of the second material (B) so as to cover said face of the first preform (PI) and fill said hollow indentations (EM) to form the three-dimensional volumes (112) ;
- compactage de la deuxième couche de sorte à former les deuxièmes préformes (P2); - compacting of the second layer so as to form the second preforms (P2);
- assemblage de la première préforme (PI) et des deuxièmes préformes (P2) par frittage de sorte à obtenir la pièce composite (11) ; - Assembly of the first preform (PI) and of the second preforms (P2) by sintering so as to obtain the composite part (11);
- extraction hors du moule (30) de ladite pièce composite (11) ; - Extraction from the mold (30) of said composite part (11);
- rectification des deuxièmes préformes (P2) consistant à enlever la partie des deuxièmes préformes (P2) située au-dessus de ladite face de la première préforme (PI) sans retirer l'autre partie des deuxièmes préformes (P2) formant chacune un volume tridimensionnel disposé dans la première préforme (PI). - rectification of the second preforms (P2) consisting in removing the part of the second preforms (P2) located above said face of the first preform (PI) without removing the other part of the second preforms (P2) each forming a three-dimensional volume disposed in the first preform (PI).
6. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le frittage de la première préforme (PI) et des deuxièmes préformes (P2) 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. 6. Manufacturing process according to one of claims 1 to 5, characterized in that the sintering of the first preform (PI) and of the second preforms (P2) consists of conventional sintering, such as natural sintering, sintering under load (HP) or isostatic sintering, or in unconventional sintering, such as flash sintering (SPS), laser sintering or microwave sintering.
7. Pièce composite (11) obtenue par le procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 6 comprenant : 7. Composite part (11) obtained by the manufacturing process according to one of claims 1 to 6 comprising:
un substrat (111) constitué d'un premier matériau (A), ledit premier matériau (A) étant une céramique ou un composite à matrice céramique, et plusieurs volumes tridimensionnels (112) disposés dans ledit substrat (111), chacun desdits volumes tridimensionnels (112) étant constitué d'un deuxième matériau (B) qui est une céramique ou un composite à matrice céramique présentant une conductivité électrique, une permittivité et une conductivité thermique prédéfinies, a substrate (111) made of a first material (A), said first material (A) being a ceramic or a ceramic matrix composite, and a plurality of three-dimensional volumes (112) disposed in said substrate (111), each of said three-dimensional volumes (112) being made of a second material (B) which is a ceramic or a ceramic matrix composite having electrical conductivity, permittivity and predefined thermal conductivity,
lesdits volumes tridimensionnels (112) étant constitués d'une même céramique ou d'un même composite à matrice céramique ou bien de céramiques ou composites à matrice céramique différents. said three-dimensional volumes (112) being made up of the same ceramic or of the same ceramic matrix composite or else of different ceramics or ceramic matrix composites.
8. Pièce composite (11) selon la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits volumes tridimensionnels (112) sont disposés sur une face dudit substrat (111). 8. Composite part (11) according to claim 7, characterized in that said three-dimensional volumes (112) are arranged on one face of said substrate (111).
9. Pièce composite (11) selon la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits volumes tridimensionnels (112) sont disposés au sein dudit substrat (111). 9. Composite part (11) according to claim 7, characterized in that said three-dimensional volumes (112) are arranged within said substrate (111).
10. Pièce composite (11) selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que le premier matériau (A) est composé d'un mélange de AIN avec Xi%m Y203 et x2%m CaF2 , le deuxième matériau (B) étant composé d'un mélange de AIN avec Xi%m Y203 et x2%m CaF2 et y vol.% MCG (multicouches de graphène) ou d'un autre matériau carboné, ou d'un disulfure métallique tel que MoS2, MXS2 WS2 avec 0,5 < Xi < 6 m%, 1 < x2 < 7 m% et 0,01 < y < 10 vol.%. 10. Composite part (11) according to one of claims 7 to 9, characterized in that the first material (A) is composed of a mixture of AIN with Xi% m Y 2 0 3 and x 2 % m CaF 2 , the second material (B) being composed of a mixture of AIN with Xi% m Y 2 0 3 and x 2 % m CaF 2 and y vol.% MCG (multilayer of graphene) or of another carbonaceous material, or of a metal disulfide such as MoS 2 , MXS 2 WS 2 with 0.5 <Xi <6 m%, 1 <x 2 <7 m% and 0.01 <y <10 vol.%.
11. Pièce composite (11) selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que le premier matériau (A) est composé d'un mélange d'AlN et d'ajouts de frittage et le deuxième matériau (B) est composé : 11. Composite part (11) according to one of claims 7 to 9, characterized in that the first material (A) is composed of a mixture of AlN and sintering additions and the second material (B) is composed:
d'un mélange d'AlN et y vol. % de multicouches de graphène, ou of a mixture of AlN and y vol. % of graphene multilayers, or
d'un mélange d'AlN et y vol. % de nanotubes de carbone, ou of a mixture of AlN and y vol. % of carbon nanotubes, or
d'un mélange d'AlN et y vol. % de carbone, of a mixture of AlN and y vol. % of carbon,
avec 0,01 < y < 10 vol.%. with 0.01 <y <10 vol.%.
12. Pièce composite (11) selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que le premier matériau (A) est composé d'AI203 et le deuxième matériau (B) est composé: 12. Composite part (11) according to one of claims 7 to 9, characterized in that the first material (A) is composed of Al 2 0 3 and the second material (B) is composed:
- d'un mélange d'AI203 et y vol. % d'un disulfure métallique et y vol. % de multicouches de graphène, ou - a mixture of AI 2 0 3 and y vol. % of a metal disulfide and y vol. % of graphene multilayers, or
- d'un mélange d'AI203 et y vol. % d'un disulfure métallique et y vol. % de nanotubes de carbone, - a mixture of AI 2 0 3 and y vol. % of a metal disulfide and y vol. % of carbon nanotubes,
avec 0,01 < y < 10 vol.%. with 0.01 <y <10 vol.%.
13. Pièce composite (11) selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que le premier matériau (A) est composé de Si3N4 ou de SiAION et le deuxième matériau (B) est composé : 13. Composite part (11) according to one of claims 7 to 9, characterized in that the first material (A) is composed of Si 3 N 4 or of SiAION and the second material (B) is composed:
d'un mélange de Si3N4 ou SiAION respectivement, et y vol. % d'un disulfure métallique et y vol. % de multicouches de graphène, ou of a mixture of Si 3 N 4 or SiAION respectively, and y vol. % of a metal disulfide and y vol. % of graphene multilayers, or
d'un mélange de Si3N4 ou SiAION respectivement, et y vol. % d'un disulfure métallique et y vol. % de nanotubes de carbone, of a mixture of Si 3 N 4 or SiAION respectively, and y vol. % of a metal disulfide and y vol. % of carbon nanotubes,
avec 0,01 £ y £ 10 vol.%. with £ 0.01 y £ 10 vol.%.
14. Composant électrique comprenant une pièce composite (11) selon l'une des revendications 7 à 13. 14. An electrical component comprising a composite part (11) according to one of claims 7 to 13.
15. Composant électrique selon la revendication 14 prenant la forme d'un module électronique de puissance, ladite pièce composite (11) constituant le substrat isolant dudit module électronique de puissance, lesdits volumes tridimensionnels (112) disposés dans ledit substrat (111) de ladite pièce composite (11) présentant une conductivité électrique et une permittivité différentes de celles dudit substrat (111) de sorte à réduire la contrainte électrique dans le substrat isolant. 15. Electrical component according to claim 14 taking the form of an electronic power module, said composite part (11) constituting the insulating substrate of said electronic power module, said three-dimensional volumes (112) arranged in said substrate (111) of said. composite part (11) having an electrical conductivity and a permittivity different from those of said substrate (111) so as to reduce the electrical stress in the insulating substrate.
16. Composant électrique selon la revendication 15, caractérisé en ce que lesdits volumes tridimensionnels (112) présentent une conductivité électrique dans le plan perpendiculaire à Taxe de pressage supérieure à la conductivité électrique dans le plan parallèle à Taxe de pressage. 16. Electrical component according to claim 15, characterized in that said three-dimensional volumes (112) have an electrical conductivity in the plane perpendicular to the pressing rate greater than the electrical conductivity in the plane parallel to the pressing rate.
17. Composant électrique selon la revendication 16, caractérisé en ce que 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 1012. 17. Electrical component according to claim 16, characterized in that the ratio of electrical conductivities, called anisotropy factor, in the planes parallel and perpendicular to the pressing axis is between 25 and 10 12 .
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