Brevet FR3091867A1 — publié le 20200724

Description Titre de l'invention : Procédé de fabrication d'une pièce composite à matrice céramique, pièce composite, et composant électrique cor- respondant Domaine de l'invention 100011 La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite. 100021 Un domaine d'application de l'invention est la fabrication de composants électriques. 100031 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). 100041 Le terme « composant électrique » dans ce document doit être interprété au sens large et peut correspondre aussi bien à un module électrique ou électronique, un circuit électrique ou électronique, un circuit imprimé de type PCB, une carte électrique ou électronique, un composant électronique, un connecteur électrique, un câble électrique, etc. Plus généralement, l'invention peut s'appliquer à tout élément à fonctionnalité électrique ou électronique doté de contacts électriques destiné à être environnés par un isolant électrique. Art antérieur [0005] 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. [0006] 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. [0007] 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. [0008] Elle requiert en conséquence de développer des pièces composites à matrice 2 céramique. Les pièces composites actuelles sont obtenues par l'assemblage, à une interface planaire et bidimensionnelle (2D), de deux céramiques de compositions chimiques distinctes. [0009] On cite, à titre d'exemple, celles développées pour les applications des cellules solaires. Ces pièces sont généralement fabriquées par cofrittagc 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. [0010] Si cette approche permet de conférer à cc substrat de nouvelles propriétés en surface, elle ne permet pas une modification en volume de celui-ci. [0011] Même dans le cas de techniques de fabrication additive comme le procédé de frittage sélectif par laser ("Selective Laser Sintering" ou SLS en anglais) ou le procédé de fusion sélective pas laser ("Selective 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. [0012] Cela empêche en conséquence leur utilisation pour de nombreuses applications requérant le contrôle des propriétés fonctionnelles en volume. [0013] 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. [0014] 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. [0015] 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. [0016] Ceci est d'autant plus remarquable que les matériaux isolants utilisés dans les 3 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. [0017] Une solution pour garantir une meilleure tenue en tension consisterait à surdi- mensionner les éléments constitutifs des composants électriques, mais cette démarche n'est évidemment pas compatible avec une recherche d'intégration du système. [0018] 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 « Instdated Gate &polar 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 A1203, Si3N4, AIN) appelé DBC (pour « Direct Bonding Copper ») ou ATVIB (pour « Active Metal Brazitzg ») 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.). [0019] 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. [0020] 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 serni-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 scmi-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 industrialisablc. 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. [0021] Une autre solution connue, décrite dans la publication scientifique de N. Hayakawa, et Al., 2012, intitulée « Fabrication Technique of Pertnittivity Graded Materials (FGM) for Disk-Type Solid hzsulator, 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. [0022] 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 oeuvre. 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. [0023] 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. [0024] 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. [0025] TI 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 oeuvre. Exposé de l'invention [0026] Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé un procédé de fabrication d'une pièce composite comprenant : [0027] un substrat constitué d'un premier matériau, ledit premier matériau étant une céramique ou un composite à matrice céramique, et [0028] au moins un volume tridimensionnel disposé dans ledit substrat, ledit au moins un volume tridimensionnel 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, [0029] le procédé comprenant les étapes suivantes : [0030] réalisation d'une première préforme constituée du premier matériau et destinée à former le substrat et obtention d'au moins une empreinte creuse sur une face de ladite première préforme, ladite empreinte creuse étant configurée pour délimiter ledit volume tridimensionnel, [0031] remplissage total ou partiel de ladite au moins une empreinte (EM) creuse avec le deuxième matériau de sorte à réaliser au moins une deuxième préforme (P2) formant ledit au moins un volume tridimensionnel, [0032] assemblage par frittage des première et deuxième préformes de sorte à obtenir la pièce composite. [0033] Le deuxième matériau peut en outre présenter des propriétés mécaniques prédéfinies. [0034] L'invention concerne un procédé de fabiication d'une pièce composite fiable constituée d'une céramique hétérogène comprenant une ou plusieurs zones d'une céramique et/ou d'un composite à matrice céramique ayant des propriétés et une géométrie tridimensionnelle contrôlées. [0035] On rappelle que les composites à matrice céramique sont caractérisés par un ensemble de particules carbonées ou céramiques ou métalliques qui sont incorporées 6 dans une matrice céramique. [0036] Le procédé de fabrication est avantageux en ce sens que les étapes de ce dernier sont simples à mettre en oeuvre, 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 oeuvre d'un seul cycle thermomécanique. [0037] 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%. [0038] 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. [0039] Selon une mise en oeuvre particulière, postérieurement à l'étape de remplissage et préalablement à l'étape assemblage des première et deuxième préformes, le procédé de fabrication comprend une étape de dépôt d'une couche constituée du premier matériau de sorte à recouvrir et noyer la deuxième préforme dans la première préforme. [0040] Selon différentes mises en oeuvre 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. [0041] Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, les préformes sont obtenues par compactage de poudre. [0042] Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes : [0043] mise en place dans un moule d'une première couche du premier matériau en poudre destinée à former le substrat ; [0044] compactage de la première couche de sorte à former la première préforme et obtention d'au moins une empreinte creuse sur une face de ladite première préforme, ladite empreinte creuse étant configurée pour délimiter ledit volume tridimensionnel ; [0045] 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 l'empreinte creuse pour former le volume tridimensionnel ; [0046] compactage de la deuxième couche de sorte à former la deuxième préforme ; [0047] assemblage des première et deuxième préformes par frittage de sorte à obtenir la pièce composite ; [0048] extraction hors du moule de ladite pièce composite ; [0049] rectification de la deuxième préforme consistant à enlever la partie de la deuxième préforme située au-dessus de ladite face de la première préforme sans retirer l'autre partie de la deuxième préforme formant le volume tridimensionnel disposé dans la première préforme. 7 [0050] Selon différentes mises en oeuvre de l'invention, le frittage des première et deuxième 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. [0051] L'invention concerne également une pièce composite obtenue par un tel procédé de fabrication comprenant : [0052] un substrat constitué d'un premier matériau, ledit premier matériau étant une céramique ou un composite à matrice céramique, et [0053] au moins un volume tridimensionnel disposé dans ledit substrat, ledit au moins un volume tridimensionnel 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 prédéfinics. [0054] Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, ledit au moins un volume tri- dimensionnel est disposé sur une face dudit substrat. [0055] Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, ledit au moins un volume tridimensionnel est disposé au sein dudit substrat. [0056] Selon une caractéristique particulière, la pièce composite comprend plusieurs volumes tridimensionnels constitués d'une même céramique composite ou bien de céramiques composites différentes. [0057] Selon un mode de réalisation de l'invention, le premier matériau est composé d'un mélange de AlN avec x1 %m Y203 et x2%m CaF2 le deuxième matériau étant composé d'un mélange de AlN avec x1 %m Y203 et x2%m CaF2et y vol.% MCG (multicouches de graphène) ou d'un autre matériau carboné, ou d'un disulfure métallique tel que MoS2 , MxS2 WS, avec 0,5 Dans cc cas de figure, le composite B peut être composé de A1,03+ y vol. % MCG (multicouches de graphène), ou bien dc A1203+ y vol. % NTC (nanotubcs de carbone) avec 0,01