Dans le domaine des applications avioniques, des dispositifs d'électronique de puissance sont susceptible d'être placés sur le réacteur avec, dans le pire des cas, une température ambiante de 200°C et des cycles thermiques compris entre -55°C et 200°C.<br /><br /> La première partie de cette étude présente les caractérisations électriques de composants à semi-conducteur, afin de justifier le choix des diodes Schottky SiC et de transistor CoolMOS Si pour une utilisation à haute température. Ces composants sont alors intégrés dans un véhicule de test (module de puissance) adaptée à une localisation sur le réacteur. L'objectif est d'évaluer les performances électriques des éléments actifs à haute température, et la technologie d'assemblage par brasure des substrats céramiques sur une semelle AlSiC. En complément d'une campagne expérimentale, s'appuyant sur un cyclage thermique de grande amplitude, une évaluation numérique des sollicitations dans l'assemblage permettra de mieux comprendre les mécanismes de défaillances et les moyens permettant d'augmenter la durée de vie des modules de puissance dans ces conditions d'utilisation.<br /><br /> Afin de trouver des solutions d'intégration et de chercher à améliorer la durée de vie des assemblages, la dernière partie de cette étude présente les résultats expérimentaux, dans des conditions tout aussi sévères, pour de nouveaux véhicules de test, sans élément actif, composés de substrats céramiques de technologie différente. Les produits testés comportent des céramique AlN et Al2O3 dont les métallisations, avec ou sans dimples, présentent des géométries différentes. Nous évaluerons également, des substrats de technologie AMB avec des solutions DAB et Si3N4. Finalement, une nouvelle étude numérique est réalisée sous ANSYS dans le but d'estimer l'influence ce des substrats céramiques sur la durée de vie de l'assemblage. Finalement, nous tenterons de proposer des règles de conception permettant d'augmenter la durée de vie des assemblages de puissance.

Ce mémoire présente un travail sur le comportement électrique et énergétique des supercondensateurs dans des applications de type traction électrique. Il développe un outil de caractérisation du comportement des supercondensateurs afin de les exploiter dans les applications « courant fort » telles que le transport. Le banc de test développé dans notre laboratoire a permis la caractérisation d'un module de supercondensateurs 112F-48V constitué de 24 composants Maxwell 2700F/2,3V.<br />En premier lieu, la modélisation du composant nous a paru indispensable pour représenter le comportement de ces composants. Pour cela, deux modèles représentant le comportement énergétique et électrique des supercondensateurs ont été développés. Différentes approches connues ont été confrontées pour aboutir à une méthode simple d'identification, associant des mesures temporelles et fréquentielles.<br />En utilisant ces modèles, une caractérisation de quatre éléments du module avec un suivi de l'évolution des caractéristiques de chaque élément a été effectuée en fonction de la température. D'autre part, l'observation du vieillissement du module et d'un élément de ce dernier pour les 200.000 premiers cycles a permis de suivre la dégradation des caractéristiques (R, rs et C) des supercondensateurs en fonction du nombre de cycles effectués.<br />Enfin, un des objectifs initiaux était d'aborder le problème de mise en série du composant afin de l'utiliser en Génie Electrique. Les essais de cyclage réalisés sans dispositif d'équilibrage (hormis les impédances du système de mesure) ont permis d'observer une dispersion naturelle des tensions dépendant de la localisation du composant dans le module.

Des matériaux d'électrode positive pour batteries Li-ion de structures atypiques ont été synthétisés par une réaction de chimie douce qui consiste en l'échange ionique du sodium par le lithium dans les composés lamellaires de type NaxMO2 (x = 2/3 ; M = Co, Co/Mn). Un modèle basé sur la nucléation-croissance au sein du matériau précurseur a été proposé afin d'expliquer le mécanisme de la réaction d'échange ionique. Une comparaison entre les diagrammes de diffraction des rayons X obtenus pour différentes structures lamellaires simulées d'après le mécanisme réactionnel proposé et une étude de la réaction d'échange suivie par diffraction des rayons X in situ ont permis dans le cas de O2-LiCoO2 de mettre en évidence les paramètres gouvernants la réaction. Le matériau substitué au manganèse T#2-Li2/3Co2/3Mn1/3O2 a été synthétisé et caractérisé par diffraction des neutrons et diffraction électronique. La stabilité thermique de ce matériau a été étudiée, cette étude a montré la formation à 450°C d'une phase de même composition mais de structure différente. Les propriétés électrochimiques de ces matériaux et les modifications structurales observées au cours du cyclage électrochimique ont été caractérisées.

Le premier objectif du projet HYBUS est d'intégrer un système de stockage par supercondensateurs dans un trolleybus permettant la récupération de son énergie de freinage afin d'assurer la continuité de l'alimentation des systèmes électriques embarqués. A terme un système de stockage plus conséquent est prévu pour permettre au trolleybus une autonomie de quelques mètres. Notre travail étudie la durée de vie de ce système. Plusieurs tests de vieillissement accéléré sur les supercondensateurs ont été mis en place au laboratoire AMPERE. Ces essais ont mis en évidence que le cyclage engendrait une forte accélération de la diminution de la capacité et de l'augmentation de la résistance série. Cependant, ces variations sont partiellement réversibles lors des phases de repos où une régénération s'opère. Une méthode se basant sur les dégradations observées en cours d'utilisation et les dégradations demeurant après régénération, a permis une mise en équation de l'évolution des paramètres internes des supercondensateurs. Un test d'endurance de systèmes complets de stockage a aussi été réalisé au laboratoire. Les résultats expérimentaux montrent une hétérogénéité du vieillissement due à l'existence d'importants gradients de température entre les composants. De ce fait, une nouvelle méthodologie d'équilibrage visant à égaliser les durées de vie de chacun des supercondensateurs a été mise au point. L'étude a donc contribué à une meilleure compréhension et évaluation du vieillissement des supercondensateurs dans le but d'améliorer la durée de vie de système de stockage de ce type. Une méthode est proposée pour estimer les dégradations en fonction des facteurs majeurs du vieillissement.

Le premier objectif du projet HYBUS est d'intégrer un système de stockage par supercondensateurs dans un trolleybus permettant la récupération de son énergie de freinage afin d'assurer la continuité de l'alimentation des systèmes électriques embarqués. A terme un système de stockage plus conséquent est prévu pour permettre au trolleybus une autonomie de quelques mètres. Notre travail étudie la durée de vie de ce système. Plusieurs tests de vieillissement accéléré sur les supercondensateurs ont été mis en place au laboratoire AMPERE. Ces essais ont mis en évidence que le cyclage engendrait une forte accélération de la diminution de la capacité et de l'augmentation de la résistance série. Cependant, ces variations sont partiellement réversibles lors des phases de repos où une régénération s'opère. Une méthode se basant sur les dégradations observées en cours d'utilisation et les dégradations demeurant après régénération, a permis une mise en équation de l'évolution des paramètres internes des supercondensateurs. Un test d'endurance de systèmes complets de stockage a aussi été réalisé au laboratoire. Les résultats expérimentaux montrent une hétérogénéité du vieillissement due à l'existence d'importants gradients de température entre les composants. De ce fait, une nouvelle méthodologie d'équilibrage visant à égaliser les durées de vie de chacun des supercondensateurs a été mise au point. L'étude a donc contribué à une meilleure compréhension et évaluation du vieillissement des supercondensateurs dans le but d'améliorer la durée de vie de système de stockage de ce type. Une méthode est proposée pour estimer les dégradations en fonction des facteurs majeurs du vieillissement.

Des matériaux lamellaires d'électrode positive pour batteries lithium-ion, de formule Li1+x(Ni0.425Mn0.425Co0.15)1-xO2 (0 < x < 0.12), ont été synthétisés par coprécipitation. Leurs propriétés structurales et physico-chimiques ont été caractérisées par diffraction (rayons X, neutrons et électrons), spectroscopie XPS, mesures magnétiques ... La surlithiation (Li / (Ni+Mn+Co) > 1) entraîne la présence de lithium en excès dans le site des métaux de transition. Une surstructure de type v3.ahex. x v3.a hex. analogue à celle observée pour Li2MnO3 a été mise en évidence par diffraction électronique. Les propriétés électrochimiques et les modifications structurales observées au cours du cyclage ont été caractérisées pour ces matériaux. La surlithiation entraîne la présence d'un " plateau " de potentiel à ~ 4.5V/Li pour le système Li // Li(Ni0.425Mn0.425Co0.15)0.88O2 ; celui-ci a été associé à des changements structuraux irréversibles mettant en jeu une réorganisation cationique dans les feuillets et une perte d'oxygène.

L'arsenic est un metalloïde toxique et cancérigène. Ubiquiste dans la pedosphere, il est très sensibleaux fluctuations des conditions redox du sol, ce qui influe significativement sa toxicité et mobilité. Nousétudions le cycle biogéochimique global de l'arsenic, en tenant compte de l'usage croissant des ressources, etpassons en revue l'importance respective de l'arsenic geogénique et anthropogénique dans l'environnement.La contamination à l'arsenic est souvent diffuse dans les bassins sédimentaires de l'Europe. Cependant, desconcentrations dans l'eau interstitielle du sol peuvent être élevées lors de périodes de saturation du solcausées par la monté des eaux souterraines ou les inondations, prévues d'augmenter dû aux changementsclimatiques. La spectrométrie de fluorescence X quantitative et sans standard a été utilisée pour analyserl'arsenic dans des sols relativement contaminés de la plaine alluviale de la Saône au moyen de protocoles depréparation d'échantillons conçus pour optimiser la précision d'analyse et l'exactitude in situ aux bassesconcentrations d'arsenic. L'arsenic dans ces sols est associe aux (hydr)oxydes du fer et de manganèse de lataille d'argile colloïdale. Ceux-ci subissent une dissolution réductrice par les microorganismes lors desinondations, libérant une importante concentration d'arsenic dans la phase aqueuse. Si, par la suite, l'arsenicdégagé n'est pas éliminé avec l'eau de crue évacuée, il est ré-immobilisé pendant l'oxydation du sol et lareprécipitation des oxydes métalliques. Grâce à une combinaison novatrice d'analyses chimiques par voiehumide, d'écologie microbienne, de spectroscopie ainsi que de modélisation thermodynamique et cinétique,nous démontrons que les cycles d'oxydo-réduction séquentiels entraînent une atténuation d'arsenic aqueuxdans des conditions réductrices dû à la coprécipitation croissante, et a une diminution de l'activitémicrobienne causée par l'appauvrissement en matière organique labile. Des processus d'atténuationsimilaires sont observés en l'absence d'activité microbienne pour Cr et As dans des argiles pyriteuses lorsquecelles-ci sont exposés aux oscillations redox provoquées par l'ajout de substances humiques réduites. Ainsi,nous montrons que les effets cumulatifs de cycles redox successifs sont extrêmement importants pour lamobilité de divers contaminants dans l'environnement.

Les travaux réalisés traitent de la caractérisation en fatigue thermique et mécanique d’assemblages collés par colle conductrice isotrope. Issu du domaine des circuits électroniques radio fréquences à applications spatiales, l’empilement type considéré dans l’étude est constitué d’un carré d’alumine reporté de manière automatique sur un support en Kovar.L’adhésif est à base d’époxyde chargé de microparticules d’argent pour la conduction électrique et thermique du report.Les surfaces de collage de l’alumine sont polies-rectifiées et dorées pour favoriser les fonctions RF, au détriment de la tenue du collage. L’objectif principal est l’identification des mécanismes de fatigue de l’assemblage face aux sollicitations thermiques subies pendant des essais de qualification thermiques réalisés au sol, qui se veulent représentatives de celles subies en orbite pendant toute la durée de la mission. Deux axes de recherche sont privilégiés dans cette étude. D’une part, le comportement du matériau adhésif est caractérisé par des essais de fluage et des essais cyclés réalisés sur des éprouvettes de colle. Le modèle viscoplastique Two-Layers est retenu et implémenté dans un modèle éléments finis de l’assemblage. La tenue de la colle aux interfaces constitue une seconde approche de caractérisation. Une faible tenue en mode I est constatée à l’issue d’une campagne DCB. D’autre part, deux plans d’expériences portant sur la géométrie et les conditions de report des assemblages sont réalisés en parallèle d’une étude paramétrique numérique. Ces deux approches complémentaires permettent de proposer des hypothèses relatives aux mécanismes de fatigue prépondérants au sein de l’assemblage dans son environnement thermique. La tenue en fatigue des collages s’avère très dépendante du procédé automatique qui insère de nombreux défauts (porosités) à l’interface du composant. Une caractérisation en fatigue par essai mécanique est proposée comme alternative au cyclage thermique lent en étuve. Bien que l’équivalence ne soit pas complète, les résultats présentent de bonnes perspectives pour aider à la caractérisation en fatigue de l’interface entre des composants céramiques et une colle conductrice. / This subject deals with the fatigue life characterization under thermal and mechanical loads of bonded assemblies with anisotropic conductive adhesive. In the framework of radio frequency electronics for space applications, the stack of study iscomposed of an alumina square bonded onto a Kovar plate following an automatic process. The adhesive is made of anepoxy based matrix loaded with silver flakes for electrical and thermal conduction. Surfaces of adhesion are polished andcoated with gold to improve RF functions despite the reduction of adherence. The main objective is to identify the fatigue mechanisms taking place in the assembly under thermal cycling due to its orbital environment during the mission and some representative on-ground qualification tests. The study is divided into two parts. First of all, the mechanical behavior of the adhesive is completely characterized by creep and recovery tests and cycling tests performed on bulk specimens. The model of material behavior, called Two-Layers, is identified and implemented in a finite elements model of the whole assembly. The adhesive resistance at the bonding interfaces is also studied. A certain weakness in mode I is observed from a DCB campaign. Secondly, two designs of experiments on geometry and thermal conditions are performed in parallel of a numerical parametric study. These two complementary approaches allow proposing some hypothesis upon the fatigue mechanisms occurring in the assembly under thermal cycling. The fatigue resistance of bonded assemblies depends on the automatic bonding process that creates numerous defects at the component interface (as porosities). A fatigue life characterization by the help of a mechanical test is proposed as an alternative to slow thermal cycling in an oven. Although, the equivalence is not entirely proven, results are promising and can help further with the fatigue study of the interface between such ceramic components and a conductive adhesive.

Les transistors IGBT sont les composants semi-conducteurs de puissance les plus couramment utilisés dans les fonctions de l'électronique de puissance. Ils sont fréquemment assemblés dans des modules contenant plusieurs puces et réalisant l'interconnexion à la fois électrique et thermique avec l'environnement. Dans de nombreuses applications, ces modules sont soumis à un cyclage thermique actif généré par les variations du régime de fonctionnement du système. Ceci est à l'origine de différentes dégradations d'origine thermomécaniques pouvant mener à la défaillance. Les tests de vieillissement sont l'un des moyens permettant de mieux comprendre les mécanismes de dégradations en imposant des conditions de stress connues mais également de construire des modèles de fiabilité comportementaux utiles dans l'estimation de durée de vie des systèmes.Le présent travail décrit la mise en œuvre d'une méthode de test originale destinée à des modules IGBT de la gamme 600V-200A et basée sur l'utilisation d'onduleurs fonctionnant en modulation de largeur d'impulsion. Elle exploite la variation de température de jonction provoquée par cette modulation pour générer un cyclage thermique d'une fréquence très supérieure (2Hz à 10Hz) à celles habituellement utilisées pour ce type de test. Ceci permet de réduire considérablement la durée de ces tests et d'accéder à des gammes basses de l'amplitude des cycles thermiques.Les essais de vieillissement imposent de suivre l'évolution de paramètres indicateurs afin d'estimer régulièrement l'état des composants testés et d'appliquer des conditions d'arrêt. Le paramètre utilisé dans le présent travail est la tension VCE des IGBT, qui est un bon révélateur de l'état des fils de bondings, maillons faibles de ces modules. En complément du développement de la méthode de cyclage proprement-dite, un dispositif de suivi automatique du paramètre VCE a été développé afin de limiter la durée des phases de caractérisations correspondantes. Ce dispositif permet également de mesurer la température de jonction de façon indirecte et de reconstruire le profil de température dynamique pendant le cyclage.Cet ensemble a permis d'obtenir des résultats exploitables sur une trentaine d'échantillons avec des amplitudes de cycle comprises entre 30°C et 50°C. Ils mettent en évidence un seul type de dégradation, la fissuration des attaches entre les fils de bonding et la métallisation d'émetteur avec, dans certains cas, le décollement complet du fil (lift-off). Des essais à différentes fréquences de cyclage pour la même amplitude ont été réalisés sur un groupe de ces échantillons. Si le nombre d'échantillons consacrés à comparaison n'est pas encore réellement suffisant, les résultats obtenus sont similaires et semblent donc démontrer que la fréquence de test n'impacte pas le mode de vieillissement dans la gamme de température étudiée. Cette observation est une première validation de la pertinence de la méthode proposée qui permet de réduire d'un facteur cinq à dix les durées de test. / IGBT transistors are the most used power semiconductor devices in power electronics and are often integrated in power modules to constitute basic switching functions. In various applications, IGBT power modules suffer thermal cycling (or power cycling) due to variations of operating conditions. This power cycling induces thermo mechanical stress that can lead to damages and then, to failures. Ageing tests are a means to identify and analyze the degradation mechanisms due to power cycling by imposing calibrated test conditions. In addition, their results can be used to establish empiric lifetime models that are useful for power converter designers.The present work describes the implementation of an ageing test method dedicated to IGBT modules operating in the 600V-200A range. This method takes advantage of particular operating conditions generated by pulse width modulation inverters in which the IGBT modules to be tested are introduced. The modulation induces a variation of IGBT die temperature, i.e. a power cycling, of which the frequency is significantly higher (2Hz to 10Hz) than the operating frequencies of classical test systems. By using this technique, the test length is reduced while low values of thermal amplitude can be reached.Throughout the ageing tests, the monitoring of ageing indicators is required to evaluate the sample health and to stop the operation when predefined conditions are reached. In the present work, the ageing indicator is the on-state voltage VCE across the IGBT device that is relevant in regard with wire bond degradations. Therefore, as a complement of the fast test method, an automated VCE monitoring system has been developed in order to fully take benefit of the high test-speed. In addition, this system is able to measure the junction temperature and to provide the temperature profile during the power cycling.This test bench has made possible the ageing process of three dozen of samples by applying thermal swing amplitudes in the 30°C-50°C range, that is not reachable with classical test benches operating in low frequency because of the unacceptable test length. The results show that only one kind of damage is generated by the present test conditions, i.e. the degradation of attaches between the emitter metallization and the wire bonds. In many case, complete lift-off have been observed. Some samples have been used to evaluate the influence of thermal swing frequency on the results. The latter are unchanged when the frequency varies between 2Hz and 0.2Hz, therefore it is a first validation of the fast test relevance.

L'objectif de ce projet de recherche est de contribuer au développement de barrières environnementales pour la protection de composites SiC/SiC contre la corrosion à haute température. Pour synthétiser ces revêtements céramiques, le procédé de projection thermique par plasma RF à partir de précurseurs liquides a été choisi pour sa capacité à produire des revêtements nanostructurés de compositions chimiques complexes. Un plan d'expériences a permis d'isoler les paramètres du procédé (concentration des précurseurs, distance de projection et pression de travail) ayant une influence sur la structure des revêtements (épaisseur et densité). La chimie des précurseurs est également un paramètre important car elle conditionne tous les phénomènes physicochimiques mis en jeu lors de la transformation des gouttelettes de précurseurs solvatés en particules solides. Les revêtements de disilicate d'yttrium Y2Si2O7 et de disilicate de lutécium Lu2Si2O7 synthétisés sont sensibles au frittage à haute température. Une phase additionnelle de zircone (non miscible) a permis de stabiliser la microstructure des revêtements en évitant la croissance anormale des grains après plusieurs heures à 1500°C. Les revêtements de silicates de terres rares ont été également testés dans un four spécialement conçu pour opérer des cycles thermiques jusqu'à 1400°C sous atmosphère saturée en vapeur d'eau. Les essais de validation des performances de corrosion ont montré des vitesses d'érosion du carbure de silicium de 1 µm/h à 1200°C, ce qui est observé pour des conditions réelles de corrosion dans des turboréacteurs de l'aviation civile. Après 24 heures à 1200°C sous atmosphère saturée de vapeur d'eau, les revêtements de silicates de terres rares ont montré leur efficacité pour la protection des composites à matrice céramique de type SiC/SiC. Ces essais de corrosion/cyclage thermique ont également permis de confirmer les deux principaux points faibles de ces barrières environnementales, à savoir les fissures ouvertes sur le substrat (permettant la pénétration des espèces corrosives jusqu'au substrat) et le développement d'une couche de cristobalite à l'interface substrat/barrière environnementale (source de microfissures lorsque le système est soumis à des cycles thermiques).