L'expérience montre que tout liquide isolant soumis à une tension croissante est traversé par un courant qui croît fortement avec la tension jusqu'au claquage. Pour un liquide isolant, le claquage est un phénomène destructif qui dégrade de façon irrémédiable sa tenue diélectrique, c'est-à-dire que celui-ci ne pourra plus tenir le même niveau de tension. Ce phénomène est la cause de la plupart des défaillances du matériel électrique.<br />Le but de cette étude est de comprendre la formation d'une bulle suite à une micro-décharge électrique dans un vaste domaine de pression (pression inférieure et largement supérieure à la pression critique du fluide) et pour différentes températures (T/Cette étude permet de conclure que la bulle atteint, pour R=Rm, un équilibre thermodynamique local défini par la courbe de pression de vapeur saturante lorsque P/Pc. Cette analyse conduit à proposer un modèle thermodynamique semi-empirique permettant de calculer le rayon maximum de la bulle quelle que soit la pression P/ appliquée sur le liquide, à partir de la connaissance uniquement de l'énergie injectée et des propriétés thermodynamique du liquide.<br />L'analyse de l'énergie potentielle de la bulle au cours ses deux premiers cycles montre que, le phénomène le plus probable qui devrait être pris en compte dans le calcul correct de l'énergie perdue entre les deux premières cycles de la bulle, est le flux de matière échangée à l'interface qui devrait conduire à une perte de masse et donc à une variation de la masse volumique du milieu fluide à l'intérieur de la bulle en fonction du temps.

Ce travail traite de la conception de générateur alimentant une lampe DBD destinée à la production de rayonnement UV. Cette alimentation doit permettre un contrôle efficace du rayonnement, grâce aux degrés de liberté apportés par le contrôle du générateur (fréquence, amplitude du courant injecté dans la lampe). Le modèle électrique de la lampe est utilisé pour prédire l'impact des caractéristiques du générateur sur le rayonnement UV produit. Une synthèse des interrupteurs de puissance du convertisseur statique permettant le contrôle du courant injecté est proposée et des solutions d'implémentation sont étudiées. Une démarche de conception en vue de l'optimisation du transformateur haute tension est proposée, notamment en ce qui concerne la valeur de ses éléments parasites. L'ensemble de ces travaux est étayé par des réalisations expérimentales.

La résine époxyde renforcée avec des grains de silice est utilisée comme isolant électrique. Un certain nombre d'études ont été menées afin d'identifier les mécanismes de dégradation. Dans ce travail, l'effet de l'humidité à une température supérieure à la Tg du matériau a été privilégié. Un conditionnement hygrothermique à 80°C/80%HR conduit à une chute d'une décade de la tension de claquage du matériau en quelques mois. Avec une silice silanisée, la chute est d'un facteur 2. Ce claquage est précédé de décharges partielles (DP). Afin de quantifier les phénomènes aux interfaces résine/silice, un modèle expérimental d'interface a été réalisé. L'analyse par spectroscopie diélectrique, grâce aux électrodes inter-digitées déposées, conduit à une estimation de l'épaisseur de la couche d'eau à l'interface de l'ordre du micromètre. Analyses de prise de masse, thermogravimétrique (ATG) et mécanique (AMD, essais de traction), menées avec ou sans charges de renfort, ont permis de quantifier sur le système étudié les phénomènes physiques et chimiques connus de l'action de l'eau sur les époxydes (diffusion, plastification, hydrolyse). Les phénomènes de dégradation du composite à l'origine de la chute des propriétés électriques ont ainsi été décrits, bien que la différence nécessaire des formes d'échantillons n'ait pas permis de transposer dans le temps les mesures physico-chimiques aux mesures électriques. Un mécanisme original de rupture d'isolation d'un composite a été proposé : l'arborescence électrique à l'origine du claquage résulte de décharges au sein de cavités de vapeur d'eau, celles-ci étant créées par l'échauffement du à la conduction dans les canaux d'eau interfaciaux.

L'huile minérale constitue le liquide isolant le plus communément employé dans les transformateurs de puissance d'une part pour ses propriétés physico-chimiques et d'autre part pour son faible coût et sa disponibilité. Cependant les performances de cette huile commencent à être limitées par rapport aux nouveaux critères. Pour palier à ce problème, deux solutions sont envisageables : trouver des liquides de substitution ou améliorer les propriétés de l'huile minérale. C'est à cette deuxième solution qu'est dédié ce travail. Il s'agit de trouver un mélange optimal d'huiles à base d'huile minérale, les additifs considérés étant des liquides isolants utilisés également dans les transformateurs tels que les huiles esters synthétiques et les huiles silicones. Des essais permettant d'analyser des caractéristiques fondamentales comme la miscibilité, la viscosité cinématique, la tenue diélectrique, la stabilité au vieillissement des huiles et des mélanges, et des mesures de tendance à la charge statique, ont été effectuées. Différents mélanges à différentes concentrations ont été étudiés. Pour des raisons techniques et économiques, l'accent est mis sur les mélanges composés de 80% d'huile minérale et 20% des autres types d'huile. Il ressort des différents essais réalisés que chaque type d'huile a un avantage. L'huile minérale est la plus efficace pour évacuer la chaleur de par sa faible viscosité, l'huile ester synthétique présente la meilleure tenue diélectrique de par sa haute solubilité de l'eau, et l'huile silicone est la plus stable au vieillissement. D'autre part, le mélange optimal obtenu se compose de 80% d'huile minérale et 20% d'ester synthétique. Ce mélange permet d'améliorer certaines caractéristiques de l'huile minérale sans toutefois dégrader ses bonnes propriétés, tout en restant dans un coût raisonnable. Il présente, par rapport à l'huile minérale seule, une aptitude à évacuer la chaleur pratiquement équivalente, une tenue diélectrique plus élevée, une meilleure stabilité au vieillissement et une tendance à la charge statique modérée.

L'émission électronique par effet de champ est un domaine qui concerne de nombreuses applications techniques. Dans ce travail, nous avons réalisé une étude essentiellement expérimentale des différents paramètres susceptibles d'avoir une influence sur l'émission électronique. En première partie, nous exposons les résultats obtenus pour un champ électrique homogène correspondant aux faibles intensités de courant. Le rôle de la distance inter-électrodes à champ constant et l'influence de la rugosité de surface sur l'émission électronique ont été étudiés. Nous discutons la méthode classique de Fowler-Nordheim utilisée pour le dépouillement des mesures en y portant un regard critique. Un modèle simple visant à prendre en compte l'échauffement des sites émetteurs est proposé. La seconde partie concerne l'effet de l'injection de gaz sur l'émission électronique, effet qui se traduit par une diminution du courant émis quand on augmente la pression de 10⁻⁶ Pa à 10⁻² Pa à champ macroscopique constant. Nous exposons des résultats montrant un effet de seuil concernant l'apparition de l'effet du gaz sur l'émission électronique. Nous présentons également des résultats pour différents matériaux de cathode et pour différents gaz (He, H₂, N₂, Ar). Une réversibilité de cet effet est montrée après le pompage pour redescendre à 10⁻⁵ Pa. La décroissance de courant par effet de gaz est interprétée par la diminution de la valeur du facteur d'accroissement local du champ électrique (β) au niveau des émetteurs à cause du bombardement de ces sites par les ions créés à leur proximité. Un calcul du flux d'ions bombardant un site émissif a permis d'estimer le temps nécessaire pour modifier un émetteur de façon cohérente avec les observations expérimentales. La théorie de la migration des atomes en surface de l'électrode en présence d'un champ électrique est proposée pour expliquer la réversibilité de l'effet de gaz observée qui est, selon cette théorie, liée à l'augmentation de la valeur de β au niveau des émetteurs.

Cette thèse s'inscrit dans la continuité des études menées pour améliorer la fiabilité des relais MEMS ohmiques et comprendre les mécanismes de dégradation se produisant au niveau du contact électrique aux échelles micro et sub-micrométriques. Les deux premiers chapitres de ce manuscrit permettent d'établir l'état de l'art du domaine et de décrire les différentes techniques expérimentales utilisées afin de caractériser les mécanismes physiques se produisant lors de l'ouverture et la fermeture d'un relais MEMS sous courant. Le troisième chapitre étudie qualitativement et quantitativement le transfert de matière aux distances sub-micrométriques. L'utilisation d'un microscope à force atomique (AFM) permet d'identifier les paramètres clés, notamment la tension de contact à l'état ouvert et la vitesse de commutation. L'origine de ce transfert de matière est attribuée à des émissions de courant se produisant dans les derniers nanomètres avant la fermeture du contact. Un plasma métallique est également observé et caractérisé pendant les phases de commutations. Ces observations conduisent à l'élaboration d'un scénario permettant d'expliquer le transfert de matière à ces dimensions. Le quatrième chapitre se consacre en première partie à l'étude des rebonds lors de la fermeture du contact. On montre que des rebonds peuvent apparaître quelques μs après la fermeture du contact au cours des cycles. Ceux-ci semblent être des indicateurs de la fin de vie du composant. D'autres rebonds, liés aux forces électrostatiques de contact, sont également mis en évidence lors de fermetures à faibles vitesses (qq nm/s). L'importance de ces forces est néanmoins du second ordre et ces derniers rebonds n'interviennent pas directement dans la phase de fermeture d'un relais MEMS. L'étude de la quantification de la résistance de contact lors de l'ouverture du contact constitue la deuxième partie de ce dernier chapitre. La nature quantique de ce phénomène est mise en évidence dans deux dispositifs : un interrupteur MEMS et à l'aide d'un AFM. Il est notamment montré que ce phénomène est seulement observable pour des courants inférieurs à 100μA. Finalement, l'ensemble de ces travaux mènent à différentes recommandations, détaillées en conclusion, nécessaires pour assurer le bon fonctionnement des relais MEMS.

Ce travail porte sur une étude comparative des huiles végétales (esters naturels) issues de différentes graines, esters synthétiques, et minérales sur la base des caractéristiques de génération et de propagation des streamers qui s’y développent, des tensions de claquage ainsi que des décharges se propageant sur un isolant solide en présence de ces huiles. Il ressort des résultats obtenus qu’en géométrie pointe – plan, sous tension continu, la tension de génération en polarité positive est toujours supérieure à celle mesurée en polarité négative et elle est plus élevée dans les huiles esters que dans les huiles minérales quelle que soit la polarité de l’électrode pointe. En ce qui concerne la propagation de streamers sous tension impulsionnelle de foudre, les longueurs finales (ou longueurs d’arrêt) Lf des streamers positifs sont environ10 fois supérieures à celles des streamers négatifs. Pour atteindre la même Lf, il faut beaucoup plus de tension en polarité négative qu’en polarité positive. Par conséquent, les tenues diélectriques sont plus élevées en polarité négative qu’en polarité positive. D’autre part, Lf est plus élevée dans les huiles végétales que dans certaines huiles minérales. La tension de claquage des huiles isolantes, déterminée selon la norme CEI 60156, suit généralement une distribution Normale. Les probabilités de claquage peuvent alors être déterminées suivant la distribution Normale en prenant un échantillonnage suffisamment grand (n>30). Il est également montré que les huiles végétales et l’ester synthétique présentent des tensions de claquage (U1%, U10% et U50%) plus élevées que les huiles minérales sous tension alternative. La tension de claquage moyenne est aussi plus élevée dans les esters que dans les huiles minérales sous tension impulsionnelle de foudre. La morphologie, la longueur d’arrêt et le courant des décharges se propageant sur un isolant solide (carton) immergé dans les liquides étudiés, dépendent de l’amplitude et de la polarité de la tension, de l’épaisseur du solide et de la nature des huiles. Lf augmente quasi-linéairement avec la tension appliquée et diminue lorsque l’épaisseur du solide augmente. Pour une tension et une épaisseur données, les décharges qui se développent sur l’interface carton/huile végétale sont plus longues que celles sur l’interface carton/huile minérale. Par ailleurs, Lf est plus élevé en polarité positive qu’en polarité négative, ce qui indique que la polarité la plus contraignante est la polarité positive. Ila été également mis en évidence l’existence d’une décharge secondaire de signe opposé à celui de la tension appliquée, résultat de l’accumulation de charges d’espace à la surface de l’isolant solide. Enfin, la dimension fractale D des décharges diminue lorsque l’épaisseur du solide augmente. Plus l’épaisseur du solide est grande, plus le degré de ramification des décharges est moins important. Pour une tension et une épaisseur données, D est généralement plus élevée dans l’huile minérale que dans l’huile végétale. / This work is aimed at the comparative study of vegetable oils (natural esters) issued from different seeds, synthetic ester oil and mineral oils, based on the characteristics of generation and propagation of streamers, breakdown voltages and creeping discharges propagating over solid insulator (pressboard) immersed in these oils. It has been shown that, in a point – plane electrode geometry, the DC threshold voltage Us is higher when the point is positive than when it’s negative; Us is higher in vegetable oils than in mineral oils for both polarities of voltage. Under lightning impulse voltage, the streamers are filamentary in all different tested oils whatever the polarity of voltage. The final (or stopping) length Lf of streamers are about ten times higher when the point is positive than when it’s negative. The voltage required to reach the same Lf is higher with a negative point than with a positive point.Thus the positive polarity is unfavourable for the industrial applications. In addition, Lf is longer in vegetable oils than in some mineral oils. The breakdown voltage of insulating oils, measured according to IEC 60156 standard specifications generally follows a normal distribution. The probability of breakdown can hence be determined according to the normal distribution with a large amount of samples (n>30). So, vegetable oils and synthetic ester have breakdown voltages (U1%, U10% and U50%) higher than mineral oils under AC; and the mean breakdown voltage is also higher in esters oils than in minerals oils under lightning impulse voltage. The morphology, final length Lf and current of discharges propagating over a solid insulator (pressboard) immersed in the liquid tested, depend on the amplitude and polarity of the voltage, the thickness of insulator as well as the nature of insulating oils. It has been shown that Lf increases quasi-linearly with the applied voltage and decreases when the thickness of insulator increases. For a given applied voltage and thickness of insulator, Lf is higher with a pressboard/vegetable oil interface than with a pressboard/mineral oil interface.In addition, Lf is also longer when the point is positive than when it’s negative. The recorded currents revealed the existence of a secondary discharge of opposite sign to that of the applied voltage. This phenomenon is due to the accumulation of charges at the surface of insulator.Finally, the fractal dimension D of creeping discharges decreases when the thickness of insulator increases. For a given applied voltage and thickness of solid, D is generally higher in mineral oils than in vegetable oils.

Cette thèse est consacrée à l’étude de la décharge positive dans les grands intervalles d’air. L’objectif initial est de se doter d’un modèle capable de déterminer la tension U50 ainsi que le facteur d’intervalle k, deux facteurs importants entrant dans le dimensionnement des ouvrages hautes tensions, dans des géométries complexes. Pour ce faire un bilan des modèles de la décharge disponibles dans la littérature a été fait. Notre choix s’est porté sur le modèle de type circuit développé par le groupe du professeur Beroual et appliqué aussi bien à la décharge positive qu’à la décharge négative. Ce modèle est basé sur un schéma électrique équivalent, ses paramètres variant avec le temps en fonction des caractéristiques du canal et de la géométrie de la décharge. La propagation du leader est basée sur un critère lié au calcul du champ à sa tête et où le caractère aléatoire du trajet de la décharge est pris en compte. Comme la plupart des modèles présents dans la littérature, ce modèle ne s’intéresse qu’à l’intervalle de type pointe-plan. Une partie de ce travail a consisté à étendre le domaine d’applicabilité de ce modèle aux intervalles de géométrie complexes. Une étude détaillée de la géométrie pointe-pointe nous a permis de valider notre modèle dans sa capacité à simuler un exemple d’intervalle complexe. De plus, des essais expérimentaux nous ont permis de comparer la valeur de la U50 déterminée à l’aide de notre modèle et celle issue des expériences pour cette géométrie pointe-pointe. Les résultats obtenus sont en bon accord avec une marge d’erreur inférieure à 5%. Au vu du bon accord résultant de la confrontation modèle - expérience de laboratoire et de la grande similarité, grande étincelle - décharge atmosphérique, un modèle de foudre positif a été élaboré. Ce modèle nous a permis d’utiliser pour la première fois le modèle circuit pour modéliser le processus d’attachement de la foudre. Les résultats obtenues permettent de valider la faisabilité de trouver, aux méthodes standards de protection contre la foudre, une alternative numérique basé sur une simulation de la foudre. Une estimation du champ rayonné par le canal du leader a été effectuée. Ce qui ouvre une voie à l’étude de l’interaction de ces champs rayonnés avec les systèmes d’ingénierie. / This thesis is devoted to the study of the positive discharge in large air gaps. The initial goal is to develop a model able to determine the voltage U50 and the k-factor, two important factors involved in the design of high voltage structures in complex geometries. To do this, a review of the discharge models available in the literature was done. We chose the circuit model developed by Professor Beroual’s group and applied to the positive discharge and also to the negative discharge. This model is based on an equivalent circuit diagram, his parameters varying with time according to the leader channel characteristics and the geometry of the discharge. The spread of the leader is based on a criterion related to the calculation of the field at its head and where the randomness of the discharge path is taken into account. As most of models found in the literature, this model applies only to the point-plane type interval. Part of this work was to extend the domain of applicability of this model to complex geometries. A detailed study of the rod-rod gap allowed us to validate our model in its ability to simulate an example of complex geometry. Moreover, experimental tests allowed us to compare the value of the U50 voltage determined using our model and the one from experiments for to this rod-rod geometry. The results are in good agreement with a margin of error of less than 5%. Given the good agreement resulting from the confrontation model - laboratory experience and the great similarity, large spark - atmospheric discharge, a positive lightning model was developed. This model allowed us to use for the first time the circuit model to model the lightning attachment process. The results obtained allow to validate the feasibility to find, to the standard methods of protection against lightning, digital alternative based on a simulation of lightning. An estimate of the field radiated by the leader channel was performed. This opens a way for the study of the interaction of these fields radiated with engineering systems.

Dans la chaine de développement des circuits, une attention particulière doit être portée sur le comportement en fiabilité des dispositifs MOS comme briques de base des circuits avancés CMOS lors du développement d’une technologie. Au niveau du dispositif, les comportements des différents mécanismes de dégradation sont caractérisés. A l’opposé dans le prototype final, le produit est caractérisé dans des conditions accélérées de vieillissement, mais seuls des paramètres macroscopiques peuvent être extraits. Un des objectifs de cette thèse a été de faire le lien entre le comportement en fiabilité d’un circuit ou système et ses briques élémentaires. Le second point important a consisté à développer des solutions de tests dites ‘intelligentes’ afin d’améliorer la testabilité et le gain de place des structures, pour mettre en évidence le suivi du vieillissement des circuits et la compensation des dégradations. Une autre famille de solutions a consisté à reproduire directement dans la structure l’excitation ou la configuration réelle vue par les dispositifs ou circuits élémentaires lors de leur vie d’utilisation (lab in situ). / In the circuit development, specific attention must be paid to the MOS device reliability as a building block as well as a prototype reference circuit (CMOS) during the technology development. At device level, the different degradation mechanisms are characterized. In the final prototype, the product is characterized in accelerated aging conditions, but only the macroscopic parameters can be extracted. One objective of this thesis has been to link the circuit or system reliability and its building blocks. Also, the second important point has consisted in the development of 'smart' test solutions to improve testability and gain up structures so as to highlight the circuits aging monitoring and degradation compensation. Another family of ‘smart’ solutions has involved reproducing directly in the structure the excitement or the actual configuration as it is seen by elementary circuits or devices during their usage life (lab in situ).

Les mémoires non-volatiles programmables une fois sont en plein essor dans le monde de l’électronique embarquée. La traçabilité, la configuration ou encore la réparation de systèmes sur puce avancés font partis des applications adressées par ce type de mémoire. Plus particulièrement, la technologie antifusible présente des propriétés de sécurité autorisant le stockage d’information sensible.Ce travail de thèse est orienté vers la compréhension des mécanismes de claquage d’oxydes minces sollicités pour la programmation des cellules antifusibles ainsi que l’intégration au niveau système de moyens de détections. Une première étape fut d’étudier les phénomènes de claquage de diélectrique type SiO2 et à haute permittivité sous l’application d’un fort champ ́électrique. Des techniques de mesures dédiées ont été développées afin de réaliser des caractérisations dans les conditions de programmation des mémoires antifusible sollicitant des temps au claquage inférieurs à la micro-seconde. Ces mesures ont ensuite permis l’étude statistique du claquage des diélectriques ainsi que la modélisation sous de hautes tensions ; hors des gammes étudiées traditionnellement dans le domaine de la fiabilité. Le modèle proposé permet l’optimisation des dimensions d’une cellule élémentaire en fonction d’un temps au claquage défini au préalable. Un mécanisme inattendu occasionnant un sur courant substrat a également été mis en évidence pendant la phase de programmation. L’étude de ce phénomène a été réalisée par des caractérisations électriques et des simulations afin de conclure sur l’hypothèse d’un déclenchement d’un transistor bipolaire parasite de type PNP dans la cellule antifusible. L’impact des conditions de programmation sur le courant de lecture mesuré sous une basse tension a également été analysé. Des structures de tests analogiques dédiés ont été conçues afin de contrôler l’amplitude du courant de programmation. Le contrôle du temps de programmation est quant à lui accompli par un système de détection de courant et de temporisation. Finalement, ces solutions sont validées par un démonstrateur d’une capacité de 1-kb conçu et fabriqué sur une technologie CMOS standard avancée 32nm. / Non-volatile one-time programmable memories are gaining an ever growing interest in embedded electronics. Chip ID, chip configuration or system repairing are among the numerous applications addressed by this type of semiconductor memories. In addition, the antifuse technology enables the storage of secured information with respect to cryptography or else. The thesis focuses on the understanding of ultrathin gate-oxide breakdown physics that is involved in the programming of antifuse bitcells. The integration of advanced programming and detection schemes is also tackled in this thesis. The breakdown mechanisms in the dielectric material SiO2 and high-K under a high electric field were studied. Dedicated experimental setups were needed in order to perform the characterization of antifuse bitcells under the conditions define in memory product. Typical time-to-breakdown values shorter than a micro second were identified. The latter measurements allowed the statistical study of dielectric breakdown and the modeling in a high voltage range, i.e. beyond the conventional range studied in reliability. The model presented in this PhD thesis enables the optimization of the antifuse bitcell sizes according to a targeted mean time-to- breakdown value. A particular mechanism leading to a high bulk current overshoot occuring during the programming operation was highlighted. The study of this phenomenon was achieved using electrical characterizations and simulations. The triggering of a parasitic P-N-P bipolar transistor localized in the antifuse bitcell appeared as a relevant hypothesis. The analysis of the impact of the programming conditions on the resulting read current measured under a low voltage was performed using analog test structures. The amplitude of the programming current was controlled in an augmented antifuse bitcell. The programming time is controlled by a programming detection system and a delay. Finally, these solutions are to be validated using a 1-kb demonstrator yet designed and fabricated in a logic 32-nm CMOS process.