INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Etat de la technique Depuis le début de la microélectronique, la très grande majorité des circuits microélectroniques est fabriquée sur un substrat monocristallin de silicium. Pour certaines applications spécifiques, le silicium semi-conducteur n’est pas le substrat idéal, mais il est utilisé faute de mieux. Le carbure de silicium (abrégé SiC), quant à lui, est un matériau semi-conducteur remarquable. Il possède une large bande interdite, un champ de claquage élevé, une grande mobilité des porteurs de charge à saturation et une forte conductivité thermique. Cette combinaison de propriétés physiques exceptionnelles lui donne une excellente tenue en tension, ainsi qu’au passage de très fortes densités de courant, même à haute température. L’article « Composants de puissance en SiC – Technologie » par D. Tournier, paru en 2007 comme partie D-3120 dans la collection Techniques de l’Ingénieur, donne une introduction au sujet.
Le SiC est donc un matériau parfaitement adapté pour la fabrication de composants de puissance nécessaires à la conversion efficace d’énergie électrique dans des applications telles que la distribution de puissance électrique, les énergies renouvelables, le véhicule électrique. L’utilisation du SiC permet de remplacer avantageusement les transistors à base de silicium tel les IGBT par des composants de puissance tels que les transistors MOSFET avec une tenue en tension de l’ordre du kilo-Volt et des pertes énergétiques bien plus faibles en commutation. Dans ces composants de puissance, la tenue en tension et la tenue en température peuvent devenir des facteurs limitants lors de la conception des composants électroniques et des cartes électroniques sur lesquelles ces composants sont implantés. Le développement récent du véhicule électrique bénéficierait fortement de l’utilisation de tels composants de puissance en SiC pour améliorer l’efficacité énergétique lors de la conversion du courant continu des batteries en courant alternatif utilisable par le moteur. Le coût et la disponibilité de ces composants restent néanmoins des freins à l’adoption de cette technologie, et pour cette raison le silicium est encore largement utilisé comme substrat dans des applications spécifiques pour lesquelles le SiC présenterait des avantages techniques.
Selon l’état de la technique, les substrats de carbure de silicium destinés à recevoir le dépôt de circuits microélectroniques se présentent comme des plaquettes (« wafers ») de forme généralement circulaires. Ils sont fabriqués de manière industrielle grâce au procédé PVT (Physical Vapor Transfer), qui consiste à sublimer à haute température (> 2200°C) une poudre de SiC et d’en condenser les vapeurs sur un germe pour obtenir un lingot ou « boule » de SiC monocristallin. De ce lingot monocristal sont alors tranchés des substrats (wafers) monocristallins de SiC. Une couche de SiC cristalline est déposée par épitaxie sur l’une des faces de ce substrat, afin d’obtenir un cristal avec le moins de défauts possible. Après épitaxie, ces wafers seront prêts pour accueillir la fabrication de composants électroniques.
L’amélioration du procédé industriel PVT au cours des 30 dernières années a réduit fortement la densité des principaux défauts cristallins dans ces substrats, comme les dislocations et les micro-pipes qui impactaient fortement la fiabilité des composants en SiC. En outre, elle a permis d’augmenter la taille des substrats (wafers) jusqu’à un diamètre de 150 mm en standard, évoluant très prochainement vers 200 mm. Malgré les efforts industriels, le procédé PVT demeure complexe à maîtriser, peu productif et consommant une quantité d’énergie importante car il exige de maintenir un four à très haute température pendant une centaine d’heures.
En outre, pour les composants de puissance, une résistance R on la plus faible possible en mode passant est un critère déterminant pour améliorer l’efficacité énergétique du système en limitant l’échauffement par effet joule lors du passage du courant. Dans ces applications, le SiC monocristallin est dopé à la fois pour permettre de fabriquer les jonctions P/N du composant et pour réduire sa résistivité au contact du drain. L’ajout d’azote permet de doper le substrat pendant la croissance du cristal. En standard, les wafers dopés « n » ont une résistivité de l’ordre de 20 mOhm.cm. Il devient très difficile de réduire la résistivité en dessous de ce seuil sans dégrader la qualité du cristal, car un dopage trop important crée des contraintes favorisant des dislocations supplémentaires du cristal.
Une nouvelle technologie en cours de développement permettrait de combiner l’utilisation d’un substrat (wafer) SiC à bas coût aux performances électriques améliorées et d’une couche mince de SiC monocristallin de haute qualité dans laquelle serait fabriqué le composant microélectronique. La couche de SiC monocristallin est rapportée sur le substrat par un procédé de collage moléculaire tel que décrit dans WO 01/18873 (Commissariat à l‘Energie Atomique), permettant en outre de garantir une résistance de contact minimale entre le substrat et la couche monocristalline rapportée. Le document EP 3 018 696 A1 décrit un mode de réalisation d’un tel procédé, qui aboutit à une couche de SiC monocristallin rapportée sur un substrat de SiC polycristallin (noté ici « P-SiC » ou « Wafer P-SiC »).
Ces substrats de P-SiC doivent répondre à des exigences strictes de résistance électrique, conductivité thermique et planéité. On trouve aujourd’hui sur le marché des produits prototypes « Dummy wafers » vendus par des entreprises, comme par exemple la société Ferrotec. Ces wafers de diamètre 150 mm et d’épaisseur 750 µm en standard servent à équilibrer une charge complète de wafers SiC monocristallins dans certains procédés pour en améliorer l’uniformité.
Selon l’état de la technique on obtient des wafers P-SiC en déposant du SiC polycristallin par CVD sur un substrat de graphite de forme cylindrique. Après avoir éliminé par usinage la couche de SiC déposée sur le pourtour du cylindre jusqu’à accéder au graphite, on peut séparer deux disques de SiC à partir des deux faces du cylindre par oxydation sous air du graphite. Cela est décrit dans les demandes de brevet JP 1994 340994 et JP 1997 296361.
Néanmoins, il est vite apparu que les disques (wafers) ainsi obtenus présentaient une déformation (Bow et Warp) inacceptable pour l’application visée. Le paramètres Bow et Warp représentent la planéité d’un wafer destiné à l’industrie des semi-conducteurs et sont connus de l’homme du métier des substrats semi-conducteurs pour microélectronique (on n’utilise que les mots anglais pour ces paramètres, que nous écrivons ici avec une lettre majuscule) ; ils seront décrits en plus grand détail ci-dessous et peuvent être mesurés selon la norme SEMI MF1390. Les procédés décrits dans les deux documents japonais cités ci-dessus trouvent une solution au problème, grâce à la répétition de plusieurs étapes de dépôt de faibles épaisseurs inférieures à 100 µm. En effet, pour un dépôt suffisamment épais, l’accroissement du diamètre des grains génère une contrainte interne de compression. Les grains de forme conique se repoussent les uns, les autres, au fur et à mesure de la croissance. Ce mécanisme physique est démontré par P. Chaudhari dans la publication « Grain growth and Stress relief in thin films » , parue dans Journal of Vacuum Science and Technology 9, 520 (1972), qui est un document de base pour tout spécialiste du dépôt de couches à partir d’une phase vapeur. Le procédé décrit dans JP 1994 340994 et JP 1997 296361 permet d’obtenir des couches épaisses de P-SiC de plusieurs centaines de microns en limitant l’accroissement des contraintes internes de compression et donc permet d’en limiter les déformations une fois détachées du graphite.
Le brevet japonais JP 3648 112 B2 décrit un procédé similaire qui permet d’alterner le dépôt de couches présentant des contraintes en tension et compression, afin d’annuler le moment des contraintes intégré sur toute l’épaisseur du dépôt. Ce moment mécanique est en effet à l’origine de la déformation observée quand le disque de P-SiC est retiré de son substrat en graphite.
Il est cependant important de noter que les procédés tels que décrits ci-dessus ne sont pas favorables pour atteindre une faible résistivité et une bonne conductivité thermique au travers de l’épaisseur du wafer à cause des multiples interfaces séparant les couches dans son épaisseur. La recherche d’une solution monocouche au problème serait plus favorable.
Le brevet US 10,934,634 B2 décrit l’obtention d’un wafer P-SiC avec une excellente planéité à partir d’une monocouche de SiC déposée par CVD sur un substrat en graphite. Un dépôt suffisamment épais, typiquement 2 mm, présente une partie supérieure où la variation du diamètre des grains est stabilisée. La contrainte de compression n’évoluant plus dans cette partie (comme démontré dans la publication citée de Chaudhari), il est alors possible d’en extraire par usinage une tranche d’une épaisseur de 350 µm qui présente un gradient de contrainte quasi nul à l’instar des tailles de grains dans l’épaisseur et donc d’intégrer sur l’épaisseur un moment mécanique quasi nul. L’effet attendu est une très faible déformation du wafer. Cependant, le coût et l’énergie dépensé par un tel procédé est probablement défavorable, puisqu’il faut éliminer par rectification et polissage environ 1,65 mm de la couche de 2 mm déposée par CVD pour obtenir le wafer à l’épaisseur souhaitée 350 µm avec la planéité souhaitée.
Pour réduire les coûts de fabrication, il serait optimal de faire croître par CVD à vitesse élevée une couche de P-SiC d’épaisseur la plus proche possible de l’épaisseur finale avec une taille de grains très rapidement stabilisée après le début de la croissance de la couche, pour éviter toute surépaisseur inutile qui deviendrait nécessaire pour réduire ou éliminer le gradient de taille de grains.
Suivant d’autres caractéristiques optionnelles de l’ensemble prises seules ou en combinaison :
le dispositif de préhension comprend un organe d’assemblage destinée à se loger dans le logement et ayant une forme configurée pour permettre un assemblage solidaire en rotation avec le corps principal de l’implant ; la portion de guidage en saillie est d’un seul tenant avec le corps principal ; et la portion de guidage en saillie est une extrémité de l’organe d’assemblage.
L’invention a également pour objet une prothèse articulaire comprenant un implant selon l’invention.
L’invention a également pour objet une utilisation d’un ensemble selon l’invention pour former une prothèse articulaire.
L’invention a également pour objet un procédé de fixation d’un implant de l’invention pour former une prothèse articulaire.
est un ensemble de vues (figure 1A à 1C) représentant un premier ensemble selon l’invention comprenant un implant selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
est un ensemble de vues (figure 1A à 1C) représentant un deuxième ensemble selon l’invention comprenant l’implant selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
est un ensemble de vues (figure 1A à 1C) représentant un troisième ensemble selon l’invention comprenant un implant selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
On a représenté sur les figures 1A à 3C un implant de prothèse articulaire selon deux modes de réalisation différents, désigné par la référence générale 1, et un ensemble d’un tel implant et d’un dispositif de préhension, ledit ensemble étant désigné par la référence générale 100. Sur ces figures, les éléments communs sont désignés par des références identiques.
Pour les deux modes de réalisation illustrés, ainsi que pour ceux non illustrés, l’implant de prothèse articulaire 1 comprend :
- un corps principal 2 principalement en céramique et comprenant une surface externe articulaire 8 en céramique de forme concave ou convexe et
- un logement 4 sur la surface externe articulaire 8, le logement 4 étant configuré pour permettre un assemblage solidaire en rotation avec un dispositif de préhension 20 du corps principal 2.
En outre et pour tous les modes de réalisation illustrés, ainsi que pour ceux non illustrés, l’ensemble 100 selon l’invention comprend un implant de prothèse articulaire 1 selon l’une des variantes possibles de l’invention et un dispositif de préhension 20. De plus, l’ensemble 100 comprend une portion de guidage 12 en saillie du corps principal 2 de l’implant 1, depuis une face du corps principal 2 opposée à la surface externe articulaire 8.
Il convient de noter que les différents exemples illustrés de l’invention concernent un implant glénoïdien 1 de prothèse d’épaule inversée mais que l’invention s’applique à toute prothèse comprenant un implant articulaire présentant une surface articulaire en céramique et étant assemblé par le chirurgien, sur l’os du patient ou sur un élément intermédiaire fixé audit os, via l’utilisation d’un dispositif de préhension. Il pourrait s’agir d’une prothèse de hanche ou encore d’une prothèse de genou (avec, bien entendu une adaptation de la forme des différents éléments formant cette prothèse). Aussi, dans tous ces exemples, le corps principal 2 correspond à une glénosphère 2.
Le type de céramique utilisé pour le corps principal peut être tout type de céramique connu de l’homme du métier. A titre d’exemple, il peut s’agir de l’alumine, de la zircone ou d’un matériau composite. La céramique étant un matériau de type dur, il peut être utilisé dans le cadre de couple de matériaux « dur/dur » ou « dur-mou ». Dans ce second exemple, le matériau dit « mou » peut être du polyéthylène à très haut poids moléculaire (UHMWPE), du polyétheréthercétone (PEEK), du PEKK(poly ether ketone ketone) ou leurs dérivés.
- Une étape de fabrication d’une ébauche de la pièce par un procédé de dépôt de fil fondu, l’ébauche de la pièce comprenant une pluralité de filaments dudit matériau polymérique ;
- Une étape d’introduction de l’ébauche de la pièce dans un bain de poudre, de sorte que l’ensemble des surfaces externes de l’ébauche de la pièce soit au contact de poudre ;
- Une étape de compactage du bain de poudre comprenant l’ébauche de la pièce ; puis
- Une étape de traitement thermique de l’ébauche de la pièce à une température comprise entre Tg+10°C et Tg+90°C, où Tg est la température de transition vitreuse du matériau polymérique pour obtenir la pièce en matériau polymérique.
L’ébauche de la pièce doit s’entendre comme ayant la composition et la forme souhaitées pour la pièce finale. Toutefois, l’ébauche peut avoir des dimensions légèrement plus grandes que la pièce souhaitée. En effet, l’étape de traitement thermique peut occasionner une diminution des dimensions de la pièce, par diminution de la porosité interne de la pièce ainsi qu’il sera décrit ci-après.
Par exemple, l’ébauche de la pièce peut avoir des dimensions jusque 10% plus grandes que la pièce souhaitée, dans chacune des trois dimensions de l’espace.
Le procédé de l’invention permet d’obtenir simplement une pièce directement à la géométrie souhaitée. Toutefois, les pièces obtenues sont dénuées des désavantages habituellement associés aux pièces obtenues par une méthode de dépôt de fil fondu. En particulier, les pièces ainsi obtenues sont isotropes et étanches aux gaz et aux liquides. L’étanchéité aux gaz s’entend en particulier pour des gaz à une pression inférieure ou égale à 4 bars, appliquée pendant une durée inférieure ou égale à 5 minutes.
En effet, l’étape de traitement thermique à une température supérieure à la température de transition vitreuse du matériau polymérique permet une réorganisation de la matière constitutive de l’ébauche de la pièce. Le traitement thermique permet en effet aux filaments constitutifs de l’ébauche de la pièce d’acquérir une certaine viscosité et ainsi de perdre leur forme initiale et de remplir la porosité de l’ébauche. Toutefois, la température du traitement thermique n’est pas suffisamment élevée pour dénaturer le matériau polymérique.
Malgré la viscosité acquise par l’ébauche au cours du traitement thermique, la forme qu’avait l’ébauche de la pièce est conservée grâce au bain de poudre compacté autour de l’ébauche avant le traitement thermique. Les propriétés des particules du bain de poudre ne varient pas avec la température et la forme particulière obtenue simplement grâce au procédé de dépôt de fil fondu est conservée tout au long du traitement thermique. Le bain de poudre compacté autour de l’ébauche agit comme un moule spécifiquement obtenu pour l’ébauche de la pièce.
Le procédé permet d’obtenir les avantages d’une pièce en matériau polymérique dont la géométrie est obtenue aussi simplement qu’avec un procédé de dépôt en fil fondu, mais la pièce finale ne présente ni la porosité ni l’anisotropie habituellement associées aux pièces obtenues par dépôt de fil fondu.
Dans un mode de réalisation, le matériau polymérique peut comprend un poly-éther-imide, un polyétheréthercétone, un polyéthercétonecétone, un polyimide thermoplastique ou un mélange de plusieurs composés choisis parmi une ou plusieurs de ces familles.
Dans un mode de réalisation, les particules du bain de poudre sont solubles dans l’eau.
Ce mode de réalisation permet d’assurer une élimination simplifiée des particules éventuellement attachées à la pièce lorsqu’elle est retirée du bain de poudre. En effet, même si une partie de la poudre reste au contact de la pièce, par exemple du fait de l’étape de compactage, un simple rinçage à l’eau permet d’enlever la poudre attachée à la pièce, et d’éviter ainsi toute contamination de la pièce par la poudre.
Dans un mode de réalisation, les particules du bain de poudre peuvent comprendre voire être constituées de chlorure de sodium. Le chlorure de sodium est une alternative largement disponible, soluble dans l’eau, qui permet donc de mettre en œuvre très simplement le procédé de l’invention à moindre coûts. En outre, le chlorure de sodium présente l’avantage de ne pas se dégrader aux températures du traitement thermique. Egalement, le chlorure de sodium ne réagit pas chimiquement avec les matériaux polymériques et cela même aux températures du traitement thermique. De plus, puisqu’il ne réagit pas, ni avec la pièce ni avec lui-même, la majorité du bain de poudre pourra être réutilisée à l’issue du procédé.
Dans un mode de réalisation, la granulométrie moyenne des particules du bain de poudre peut être inférieure ou égale à 100 µm.
Dans un mode de réalisation, la granulométrie moyenne des particules du bain de poudre peut être inférieure ou égale à 50 µm.
Le détecteur 1 T-REX TM a donc été placé dans une cuve 20 fermée à parois transparentes du type aquarium, afin que les gouttelettes utilisées pour la mesure des flux d’air ne s’échappent ou que les mouvements d’air extérieur ne perturbent pas les mesures. Le détecteur T-REX TM a été placé de manière à ce que l’extrémité du tube 2 d’aspiration soit située à plus de 12 cm de chaque paroi de la cuve pour limiter les effets de bord.
Le brouillard de gouttelettes de DEHS est dispersé et le flux de l’air stabilisé (le fluide gazeux résultant est désigné par la référence 27).
Un laser 21 (ici le laser à onde continue de puissance 2W de chez LaVision de référence VL-2W cw) et une lentille 22 cylindrique divergente de focale -10 mm ont été placés à l’extérieur de la cuve 20 dans l’axe du tube 2 d’aspiration du détecteur, afin de créer une nappe laser illuminant les gouttelettes en suspension. Le faisceau laser est désigné par la référence 23. Une caméra vidéo 26 à haute vitesse (ici le Phantom v9.1) a été placée perpendiculairement à l’installation (à l’extérieur de la cuve) pour filmer le mouvement des particules illuminées par le laser. Les figures 7a et 7b représentent respectivement des vues schématiques en perspective et vue de haut de ce banc de mesure.
Une paroi 24 (par exemple une plaque de mousse) est utilisée pour séparer la cuve en deux parties. Cela permet d’isoler le détecteur et ainsi de permettre l’établissement des flux d’air sans perturbations parasites induites par des effets thermiques, par exemple liées à l’échauffement des faces éclairées par le laser. Le détecteur va être placé dans une première partie de la cuve et le tube d’aspiration va être inséré dans un orifice de la paroi 24 pour déboucher dans la deuxième partie de la cuve ; c’est dans cette deuxième partie que vont être réalisées les mesures de PIV. Un couvercle 25 (par exemple en verre) est positionné sur la deuxième partie de la cuve afin de confiner le milieu.
La représente un modèle 3D d’un embout selon l’invention, superposé à une image d’une mesure de PIV (raccourcie en « image PIV » ci-après) obtenue à l’aide de la caméra vidéo. On a représenté, par deux grandes flèches 17, le sens de l’air aspiré dans le tube d’aspiration (orientées selon la direction d’aspiration). Cet air est aspiré dans le détecteur T-REX RM , qui n’est pas représenté. On a également représenté, par des petites flèches larges 18, le sens de l’air réinjecté dans l’embout et circulant dans les canaux secondaires ; on a aussi représenté, par de longues flèches étroites 16, les deux jets d’air expulsés de l’embout 3.
Dans l’image PIV, les zones sombres sont caractéristiques d’une absence de gouttelettes. On observe ainsi les jets latéraux produits par le nez sur l’image PIV.
Afin d’illustrer l’apport avantageux du dispositif d’aspiration optimisé selon l’invention équipant le détecteur T-REX TM , le mouvement de l’air en amont du tube d’aspiration a été mesuré selon trois cas de figure : - pour un tube d’aspiration seul (sans embout), représentant l’état actuel du détecteur ; - pour un tube équipé d’un embout selon l’invention, mais dont les jets n’ont pas été activés (l’air sortant de la pompe n’est pas réinjecté dans l’embout) ; et - pour un tube équipé d’un embout selon l’invention avec les jets d’air activés.
Le débit d’aspiration a été maintenu identique dans les trois cas de figure.
En outre, afin de garantir une bonne mesure des flux d’air en amont du tube d’aspiration du détecteur, les flux ont été mesurés selon deux plans perpendiculaires comme représenté sur les figures 9a et 9b. On a ainsi un plan de mesure 19 obtenu en réalisant une mesure horizontale ( ), la caméra vidéo étant placée latéralement par rapport à la cuve, comme illustré dans les figures 7a et 7b, et un plan de mesure 19 obtenu en réalisant une mesure verticale ( ), la caméra vidéo étant placée au-dessus de la cuve. Dans ces figures 9a et 9b, on a représenté l’embout, l’image PIV obtenue, ainsi que la direction des jets. L’embout représenté dans ces figures 9a et 9b comporte deux sorties ayant une forme elliptique.
Les résultats des mesures de PIV montrent que la vitesse de l’air aspiré est significativement augmentée sur les deux plans lorsque l’embout est positionné sur le tube d’aspiration et qu’il émet des jets, par rapport au cas où le tube d’aspiration ne comporte pas d’embout ou lorsque l’embout est inactif (n’émet pas de jets).
Les figures 10 à 12 montrent les lignes de flux (trajets parcourus par le fluide au cours du temps) et la vitesse du fluide pour un tube simple ( ) et pour un tube équipé de l’embout selon l’invention sans jets (figures 11a et 11b) et avec jets (figures 12a et 12b), selon chaque plan de mesure (mesure horizontale (figures 11a et 12a) ; mesure verticale (figures 11b et 12b)).
L’échelle de vitesse (échelle avec les gradations de couleurs affichée dans la ) est la même pour toutes les figures 10 à 12 et est de 0,01 m/s.
On observe, sur la , que le tube 2 aspire l’air dans toutes les directions (les lignes de flux proches de l’orifice d’entrée du tube d’aspiration partent dans toutes les directions, y compris vers l’arrière).
Sur les figures 11a et 11b, on observe que l’embout, sans jet d’air activé, empêche tout de même le tube d’aspiration d’aspirer en arrière.