INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Le document EP-A-2 994 947 décrit une batterie comprenant un premier et un second élément prismatique entre lesquels est disposée une couche d’un matériau résistant à une température de 300°C. Ce matériau n’est pas en contact avec toute la surface de paroi externe du conteneur des deux éléments. En effet, deux entretoises placées entre les conteneurs des deux éléments dans leur partie haute et basse maintiennent le matériau résistant à une température de 300°C à une certaine distance de la paroi du conteneur des éléments. L’association de la couche de matériau résistant à une température de 300°C et des deux entretoises est présentée comme constituant une barrière thermique contre la propagation d’un emballement thermique. Cette solution n’est cependant pas totalement satisfaisante car on note que la couche de matériau résistant à une température de 300°C n’est pas en contact avec la paroi du conteneur des éléments. Il existe deux couches d’air de part et d’autre de la couche de matériau résistant à une température de 300°C. D’une part, ces couches d’air peuvent faciliter la propagation de la chaleur aux éléments voisins. D’autre part, elles augmentent la longueur de la batterie. Le fait que le matériau résistant à une température de 300°C ne soit pas en contact avec toute la surface des éléments ne permet pas d’exploiter complètement la propriété de barrière thermique de ce matériau. De plus, lorsque les éléments gonflent, la couche du matériau résistant à une température de 300°C a tendance à s’écraser sous l’effet de la force de compression exercée par les éléments. Elle remplit donc moins bien son rôle d’isolant. Enfin, il est préconisé d’utiliser des entretoises présentant une certaine flexibilité afin d’épouser la forme de la surface des éléments. Comme la couche du matériau résistant à une température de 300°C et les entretoises ont tendance à s’écraser sous l’effet de la compression des éléments, l’écartement entre les bornes des deux éléments voisins diminue. La connexion électrique entre deux éléments voisins doit donc être souple afin d’absorber la variation de la distance inter-éléments. Or, de telles connexions souples sont de conception plus complexe que des connexions rigides sous forme de simples barrettes métalliques.
Le document US 9,324,982 décrit un système permettant de compenser le gonflement des éléments dans une batterie et d’assurer leur refroidissement. Une barrière est disposée entre deux éléments. Elle est constituée d’une partie extérieure au contact de la périphérie de la face de plus grande aire des éléments et d’une partie intérieure au contact du centre de la face de plus grande aire des éléments. La partie extérieure est rigide et maintient un espacement constant entre deux éléments voisins. La partie interne est souple et absorbe l’augmentation de volume des deux éléments voisins. Les faces opposées de la partie extérieure et de la partie intérieure sont recouvertes de picots ayant la forme d’une pyramide tronquée. Le refroidissement des éléments est assuré par la circulation d’air entre les picots. L’inconvénient des picots est qu’ils augmentent la longueur de la batterie. La présence de couloirs de circulation d’air n’est pas non plus souhaitable car ils peuvent contribuer à la propagation de l’emballement thermique. De plus, le coffre de la batterie doit être muni d’ouvertures pour permettre l’entrée et la sortie de l’air. Enfin, la surface de contact entre un élément et la barrière est relativement réduite puisqu’elle se limite à la surface supérieure tronquée des picots. Comme pour le document précédent, ce système de compensation du gonflement d’éléments permet de réduire la propagation de la chaleur dans la batterie lorsque celle-ci est utilisé dans des conditions de fonctionnement nominal. Il n’est cependant pas conçu pour empêcher la propagation d’un emballement thermique d’un élément à un élément voisin.
Il subsiste donc un besoin d’un système de compensation du gonflement des éléments qui permette également d’éviter la propagation de l’emballement thermique entre les éléments.
A cet effet, l’invention propose une batterie comprenant : - au moins deux éléments électrochimiques de format parallélépipèdique, - une première couche d’un matériau réfractaire résistant à une température allant jusqu’à 1200°C disposée au contact de la totalité d’une première face qui est l’une des faces de plus grande aire de l’un des éléments électrochimiques, ladite première couche comportant une région centrale ayant pour centre le centre de la première couche et ayant une aire représentant de 30 à 60% de l’aire de ladite première face ; - une cale rigide présentant une dureté supérieure ou égale à 90 Shore A selon la norme ASTM D 2240-15(2021), disposée entre ladite première couche et le second élément électrochimique, la cale rigide étant située hors de la région centrale de ladite première couche.
D’une part, la mise en place d’une couche d’un matériau réfractaire au contact de la totalité de la face de plus grande aire de l’un des éléments permet de créer une barrière thermique empêchant la propagation d’un emballement thermique depuis cet élément vers les éléments voisins.
D’autre part, le fait de disposer une cale rigide hors de la région centrale de la couche de matériau réfractaire permet de s’assurer que cette région centrale n’est pas comprimée par les éléments lors de leur gonflement et donc qu’elle conserve sa fonction de barrière thermique.
Selon un mode de réalisation, la batterie comprend une seconde couche d’un matériau réfractaire résistant à une température allant jusqu’à 1200°C, cette seconde couche étant disposée entre la cale rigide et le second élément électrochimique et étant au contact de la totalité d’une seconde face qui est l’une des faces de plus grande aire du second élément électrochimique, ladite seconde couche comportant une région centrale ayant pour centre le centre de ladite seconde couche et ayant une aire représentant de 30 à 60% de l’aire de ladite seconde face.
Selon un mode de réalisation, le matériau réfractaire de la première couche et/ou de la seconde couche est compressible de sorte que son épaisseur peut être réduite d’au moins 50% ou d’au moins 70 % ou d’au moins 80 % sous l’effet d’une compression exercée par les deux éléments électrochimiques.
Selon un mode de réalisation, le matériau réfractaire de la première couche et/ou de la seconde couche est compressible de sorte que son épaisseur peut être réduite jusqu’à 95 % sous l’effet d’une compression exercée par les deux éléments électrochimiques.
Selon un mode de réalisation, le matériau réfractaire de la première couche et/ou de la seconde couche est une feuille comprenant des fibres de céramique.
Selon un mode de réalisation, le matériau réfractaire de la première couche et/ou de la seconde couche présente une conductivité thermique à 20°C inférieure ou égale à 0,5 W/(m.K).
Selon un mode de réalisation, la cale rigide est constituée d’une matière plastique stable chimiquement jusqu’à une température de 200°C.
Selon un mode de réalisation, la cale rigide est faite d’un matériau choisi dans le groupe consistant en le polytétrafluoroéthylene (PTFE), le polyimide (PI) et le polyépoxyde (PE).
Selon un mode de réalisation, la cale rigide comprend quatre montants formant un premier cadre rectangulaire.
Selon un mode de réalisation, la cale rigide comprend en outre quatre autre montants formant un second cadre rectangulaire de hauteur et de largeur supérieures à celles du premier cadre rectangulaire.
Selon un mode de réalisation, - la première couche et/ou la seconde couche présente une hauteur et une largeur, et - la hauteur et la largeur du second cadre correspondent à la hauteur et à la largeur de la première couche et/ou de la seconde couche.
Selon un mode de réalisation, le premier et le second cadre rectangulaire sont solidaires grâce à au moins deux éléments de liaison.
Selon un mode de réalisation, la batterie comprend six éléments de liaison, deux éléments de liaison reliant chacun un montant horizontal du premier cadre à un montant horizontal du second cadre, quatre éléments de liaison reliant chacun un coin du premier cadre à un coin du second cadre.
Selon un mode de réalisation, les deux extrémités des éléments de liaison comportent des renforts permettant de rigidifier la liaison du premier cadre au second cadre.
Selon un mode de réalisation, l’épaisseur d’un montant va de 0,5 à 1,5 mm, de préférence de 0,7 à 1 mm.
Selon un mode de réalisation, un moyen d’assemblage permet de rendre solidaire la première couche de matériau réfractaire avec la cale rigide.
Selon un mode de réalisation, un moyen d’assemblage permet de rendre solidaire la première couche de matériau réfractaire avec la cale rigide et avec la seconde couche de matériau réfractaire.
L’invention a également pour objet un procédé d’assemblage de la batterie telle que décrite ci-avant. Ledit procédé comprend les étapes de : a) mise à disposition d’un premier élément électrochimique de format parallélépipèdique, b) mise en place d’une première couche d’un matériau réfractaire résistant à une température allant jusqu’à 1200°C au contact de la totalité d’une première face qui est l’une des faces de plus grande aire de l’un des éléments électrochimiques, ladite première couche comportant une région centrale ayant pour centre le centre de la première couche et une aire représentant de 30 à 60% de l’aire de la première face ; c) mise en place d’une cale rigide présentant une dureté supérieure ou égale à 90 Shore A selon la norme ASTM D 2240-15(2021), contre la première couche, la cale rigide étant située hors de la région centrale de ladite première couche ; d) accolement contre la cale rigide d’une seconde face qui est l’une des faces de plus grande aire du second élément électrochimique de format parallélépipèdique.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend entre l’étape c) et l’étape d) la mise en place d’une seconde couche d’un matériau réfractaire résistant à une température allant jusqu’à 1200°C, ladite seconde couche comportant une région centrale ayant pour centre le centre de la seconde couche et une aire représentant de 30 à 60% de l’aire de la seconde face, la seconde couche étant au contact de la totalité de la seconde face.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend après l’étape d), une étape de mise en compression desdits au moins deux éléments électrochimiques au moyen d’une ceinture ou d’une armature ou d’une sangle ou d’un châssis autour des éléments.
Des modes de réalisation de l'invention sont décrits ci-dessous plus en détail avec référence aux dessins joints.
est une vue en coupe schématique d’une batterie comprenant deux éléments électrochimiques séparés par une couche d’un matériau réfractaire et une cale rigide.
est une vue en coupe schématique d’une batterie comprenant deux éléments électrochimiques séparés par deux couches d’un matériau réfractaire et une cale rigide, la cale rigide étant intercalée entre les deux couches de matériau réfractaire.
montre une vue de dessus d’un ensemble constitué d’une couche de matériau réfractaire sur laquelle est déposée une cale rigide. Description des modes de réalisation de l'invention
Le conteneur des éléments est de format parallélépipèdique. Il présente six faces : une face supérieure, une face inférieure et quatre face latérales. La face inférieure est celle qui est en contact avec le support sur lequel l’élément repose. Deux des six faces sont parallèles et sont les faces qui présentent l’aire la plus grande. Les deux faces présentant l’aire la plus grande sont généralement celles qui sont le plus sujettes au gonflement. De préférence, les deux faces présentant l’aire la plus grande sont orientées perpendiculairement au support sur lequel l’élément repose.
On définit pour les deux faces du conteneur présentant l’aire la plus grande une région centrale et une région périphérique. La région centrale subit davantage le gonflement que la région périphérique. La région centrale a pour centre le centre de la face considérée et s’étend sur une aire qui représente de 30 à 60 % ou de 40 à 50 % de l’aire de la face du conteneur. La région périphérique est la région s’étendant au-delà de la région centrale.
La première couche de matériau réfractaire est disposée au contact de l’une des faces du conteneur présentant l’aire la plus grande. Généralement, la hauteur et la largeur de la première couche de matériau réfractaire correspondent à la hauteur et à la largeur de la face de plus grande aire du conteneur. On définit pour cette première couche de matériau réfractaire une région centrale et une région périphérique. La région centrale a pour centre le centre de la première couche et s’étend sur une aire représentant de 30 à 60% ou de 40 à 50 % de l’aire de la face du conteneur présentant l’aire la plus grande. Il est important que la région centrale de la couche de matériau réfractaire ne soit pas écrasée sous l’effet de la compression des éléments. A cette fin, on dispose la cale rigide hors de la région centrale de la couche de matériau réfractaire. La cale rigide permet de s’assurer de n’avoir aucune compression de la couche de matériau réfractaire dans la région centrale. Elle permet de garantir que l’épaisseur de la couche de matériau réfractaire soit au moins égale à une épaisseur donnée qui est égale à l’épaisseur de la cale rigide.
. L’assemblage du circuit imprimé 20 au capteur 10 est réalisé ensuite par brasage des broches sur les pistes métalliques du circuit imprimé.
La quatrième étape iv) consiste à assembler l’ensemble formé par le capteur optoélectronique 10, le berceau 30 et le circuit imprimé 20 à la pièce de drainage thermique 40. Cette étape est réalisée par insertion de la protubérance 32 dans le trou dédié à travers le circuit imprimé 20 jusqu’à avoir un contact en butée entre le sommet de la protrusion 40 et la face inférieure du capteur 10. Les extrémités de la base 41 sont assemblées aux bossages de fixation 32 à l’aide d’une colle thermiquement conductrice. Il est envisageable d’appliquer la colle thermiquement conductrice sur la surface supérieure de la protubérance 42 en contact avec la face inférieure du capteur 10.
Optionnellement, le procédé P1 comprend une étape de moulage du capteur optoélectronique 10 dans une résine en époxy après la première étape i) de manière à renforcer la liaison mécanique entre le capteur et le berceau.
Optionnellement, le procédé P1 comprend une étape de moulage par résine de l’ensemble formé par le capteur, le berceau, le circuit imprimé et la pièce de drainage. Cela permet de protéger l’ensemble de la structure assemblée.
COMPOSANT ÉLECTRONIQUE À BASE DE NITRURE DE GALIUM DOPE P DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION La présente invention est relative aux composants électroniques à base de nitrure de galium (GaN) dopé p et plus particulièrement aux composants électroniques de puissance à hétérojonction à base de GaN, tels que les transistors à haute mobilité d’électrons (ou HEMT, pour « High Electron Mobility Transistor » en anglais) et les diodes Schottky.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION Le nitrure de gallium est aujourd'hui un matériau très prisé pour la réalisation de différents composants électroniques. C’est le cas notamment des diodes émettrices de lumière, des diodes Schottky et des transistors dits à haute mobilité d’électrons HEMT. Ces composants nécessitent l’utilisation de semiconducteurs dopés de type p et n. L'épitaxie à sources organométalliques est la technique de croissance la plus répandue pour l'obtention de ces composants. Or l'hydrogène est un des contaminants les plus importants des semi-conducteurs élaborés à partir des précurseurs organométalliques. L’un des inconvénients liés à la présence de l'hydrogène est que ce dernier va neutraliser les accepteurs lorsque l’on cherche à obtenir un semiconducteur dopé p. Cette neutralisation se fait par la formation de complexes accepteur-hydrogène électriquement inactifs, rendant plus difficile l’obtention d’un dopage p efficace.
Le problème évoqué ci-dessus concernant l’obtention d’un dopage p efficace entravé par la présence d’hydrogène se retrouve notamment lors de la réalisation de composants à base de GaN tels que les transistors à hétérojonction de type HEMT tant pour des applications RF (amplification, amplification faible bruit LNA Low Noise Amplifier, commutateurs ou switch, oscillateurs…) que pour des applications de puissance (transistor de puissance pour la conversion d’énergie). Un gaz bidimensionnel d’électrons (ou 2DEG, pour « 2-Dimensional Electron Gaz » en anglais) est formé sous l’interface entre une couche barrière (par exemple en AlGaN, InAlN, InAlN, AlN, ScAlN, AlN, InAlGaN…) et le canal (par exemple en GaN). Ce 2DEG est connecté au niveau de la source et du drain par des contacts ohmiques métalliques et est contrôlé par une grille (de type Schottky ou MIS Métal-Isolant-Semiconducteur).
Une hétérojonction est formée par la jonction de deux matériaux semi-conducteurs ayant des bandes interdites différentes. Par exemple, une hétérojonction du type AlGaN/GaN comprend une couche de nitrure de galium (GaN) surmontée d’une couche de nitrure d'aluminium-gallium (AlGaN). Le 2DEG se forme sous l’interface entre la couche d’AlGaN et la couche de GaN, du fait d’une polarisation spontanée et d’une polarisation piézoélectrique. Ce gaz d’électrons bidimensionnel sert de canal de conduction au sein des composants électroniques à hétérojonction, tels que les transistors HEMT et les diodes Schottky.
Un composant électronique à hétérojonction AlGaN/GaN est généralement fabriqué à partir d’un substrat semi-conducteur (par exemple en silicium, saphir ou SiC), en faisant croître successivement par épitaxie une couche de nucléation, une ou plusieurs couches de transition, une couche tampon épaisse et les couches de l’hétérojonction (canal GaN, puis barrière AlGaN). La couche tampon, de plusieurs microns d’épaisseur, permet de limiter les courants de fuite latéraux et verticaux dans le composant et de mieux confiner le gaz d’électrons bidimensionnel de l’hétérojonction. La couche tampon, semi-isolante, est par exemple formée de GaN dopé au carbone.
Ce type de composant supporte des densités de courant élevées à l’état passant, en raison de la forte densité de porteurs de charge (électrons) et de la grande mobilité de ces porteurs dans le gaz d’électrons bidimensionnel. Il souffre cependant d’un phénomène transitoire d’effondrement du courant à l’état passant (communément appelé « current collapse » en anglais). Ce phénomène est lié à un piégeage de charges dans la structure épitaxiée, et plus particulièrement dans la couche tampon en GaN dopé au carbone. Des pièges se chargent négativement lorsque le composant est dans l’état bloqué puis appauvrissent le gaz d’électrons bidimensionnel de retour à l’état passant, par effet de couplage capacitif. L’appauvrissement du gaz d’électrons bidimensionnel entraîne une augmentation de la résistance dynamique et du courant de saturation de drain à l’état passant du composant (et donc une diminution du courant à l’état passant).
La demande de brevet FR3047607 décrit un exemple de structure de transistor à hétérojonction, qui adresse ce problème d’effondrement du courant à l’état passant.
En référence à la , cette première structure de transistor comprend un substrat 11, au moins une couche de transition 12 disposée sur le substrat 11, une couche tampon 13 (par exemple en GaN dopé carbone) disposée sur la couche de transition 12, une couche de GaN dopé p 14 disposée sur la couche tampon 13, une couche de GaN dopé n 15 disposée sur la couche de GaN dopé p 14, une couche de GaN non intentionnellement dopé 16 disposée sur la couche de GaN dopé n 15 et une couche d’AlGaN 17 disposée sur la couche de GaN non intentionnellement dopé 16. La couche de GaN non intentionnellement dopé 16 et la couche d’AlGaN 17 forment l’hétérojonction. Un gaz d’électrons bidimensionnel est intrinsèquement formé sous l'interface entre la couche de GaN non intentionnellement dopé 16 et la couche d’AlGaN 17. Ce gaz d’électrons bidimensionnel est illustré sur la sous la forme d’une couche 18 disposée entre les couches 16 et 17.
La couche de GaN dopé p 14 et la couche de GaN dopé n 15 forment ensemble une barrière de potentiel particulièrement élevée (jonction PN déplétée) sous la couche de gaz d’électrons 18. Cette barrière de potentiel, aussi appelée barrière de confinement (ou back barrier BB selon la terminologie anglaise) améliore le confinement du gaz d’électrons bidimensionnel en réduisant le nombre d’électrons piégés dans la couche tampon 13.
La structure de transistor décrite dans la demande de brevet FR3047607 permet de limiter le phénomène d’effondrement du courant mais suppose l’utilisation d’une couche de GaN dopé p 14. Ce dopage p est par exemple obtenu par un dopage à base de magnésium Mg utilisé en tant qu’accepteur. Pour être performante, la barrière de confinement doit présenter un taux d’activation maximum du Mg. Sinon, il est nécessaire d’utiliser une concentration plus élevée de Mg pour atteindre la concentration d’accepteurs visée, ce qui entraine une plus forte concentration de Mg dans le canal jusqu’au gaz 2DEG et dégrade les propriétés de transport électronique dans le canal. Or comme nous l’avons vu plus haut, la présence d’hydrogène notamment d’origine organométallique limite l’activation du Mg.
Une solution connue à ce problème d’activation des accepteurs, ici des atomes de Mg, consiste à effectuer des recuits sous oxygène pour éviter la création de complexes entre l’hydrogène et le magnésium. Cette solution n’est toutefois pas idéale dans le cas du transistor HEMT de la car la couche 14 de GaN dopé p se trouve au-dessous d’une série de couches formées par la couche de GaN dopé n 15, la couche de GaN non intentionnellement dopé 16 et la couche d’AlGaN 17. Ainsi, le fait que la couche 14 de GaN p soit recouverte empêche l’exo-diffusion de l’hydrogène qui reste présent dans la couche 14 de GaN p. C’est la configuration du champ électrique dans les couches supérieures qui empêche l’exodiffusion de l’hydrogène.
Cette difficulté se retrouve dans d’autres composants électroniques utilisant du GaN dopé p tels que des diodes émettrices de lumière ou certains composants de puissance où l’utilisation d’une couche p enterrée permet d’obtenir une tension de seuil positive. Dans ce cas aussi il est important d’optimiser l’activation des atomes de Mg.
En d’autres termes, la paroi intermédiaire divise la cavité périphérique en deux cavités, dans lesquelles circulent l’écoulement secondaire interne et l’écoulement secondaire externe respectivement. De même, la fraction du deuxième fluide prélevée dans le collecteur amont de fluide froid est divisée en deux écoulements, à savoir l’écoulement secondaire interne et l’écoulement secondaire externe.
On comprend donc que l’écoulement secondaire interne a lieu entre la paroi interne séparant la cavité périphérique de la cavité principale du collecteur amont de fluide chaud, et la paroi intermédiaire. De même, l’écoulement secondaire externe a lieu entre la paroi externe séparant la cavité périphérique de l’extérieur du collecteur amont de fluide chaud, et la paroi intermédiaire. Le fait de séparer la fraction du deuxième fluide prélevée permet d’améliorer l’homogénéisation de la température des parois du collecteur amont de fluide chaud, et de mieux répartir les transferts thermiques.
Dans certains modes de réalisation, la fraction du deuxième fluide prélevé dans le collecteur amont de fluide froid est comprise entre 0,5 et 5% du débit du deuxième fluide s’écoulant dans le collecteur amont de fluide froid.
Ces valeurs permettent d’obtenir les effets mentionnés plus haut, de refroidissement de la température des parois du collecteur amont de fluide chaud, tout en limitant l’impact sur l’écoulement principal du deuxième fluide utilisé pour les transferts de chaleur avec le premier fluide dans le corps d’échangeur.