Electronique Mag - Le journal de l'électronique.

 automobile : on parle ici de besoin de solutions bascoût, fort volume, dans une gamme de tension allant de 12 à 400V, et une gamme de puissance du kilowatt à quelques dizaines de kilowatts. Les températures ambiantes sous le capot moteur vont de 100 à 200°C.

- Aéronautique : l’avion “plus électrique”, dans lequel les actionneurs hydrauliques et pneumatiques sont remplacés par des actionneurs électriques nécessite des systèmes supportant des températures variant de -55°C à +225°C (dans le cas des actionneurs placés sur le réacteur).

Exploration spatiale : il s’agit d’applications de niches, dans lesquelles l’environnement est extrêmement contraignant : par exemple, les missions d’exploration de Venus ou Jupiter, en cours d’étude à la NASA, auront à supporter des températures dépassant 400°C.

 Forage pétrole/gaz : l’épuisement des ressources entraîne le besoin en forage profond, où la température ambiante peut dépasser 250°C, sous des pressions de plusieurs centaines de bars.

Avec l’apparition sur le marché de composants en carbure de silicium (SiC), nous disposons de diodes et de transistors de puissance supportant des températures de jonction extrêmement élevées (en théorie de l’ordre de 500 à 1000 °C). Ces composants ont été testés avec succès à 300°C. Cependant, le boîtier de ces composants (leur packaging), lui, est bien plus limité : par exemple, les brasures utilisées fondent habituellement en-dessous de 300°C. D’autre part, dans de nombreux cas, haute température signifie fort cyclage thermique, et les systèmes haute température doivent en fait supporter les contraintes mécaniques causées par les brusques variations de température (cas du réacteur d’avion ou du moteur de voiture à la mise en route en hiver). Les boîtiers, composés de nombreux matériaux dont les coefficients de dilatation sont très différents (métaux, céramiques, cristaux semiconducteurs...), supportent habituellement très mal ces “chocs thermques”.

Contraintes et solutions potentielles

Comme nous l’avons dit, le carbure de silicium est un matériau extrêmement intéressant pour les applications haute température. D’autres semiconducteurs dits “grand gap” (GaN, diamant) sont également attrayants, mais souffrent, pour l’électronique de puissance, d’une technologie moins mature (ou plus coûteuse dans le cas du diamant !).

En ce qui concerne le packaging, les brasures atteignent leurs limites, puisque pour une application fonctionnant à 300°C, il faudrait un alliage de brasure fondant à plus de 400°C, créant des contraintes importantes sur les éléments à joindre. Une solution alternative, utilisée par exemple par l’industriel Semikron, repose sur le frittage à basse température de particules d’argent. Cette technologie, qui nécessite l’application simultanée de température (250°C environ) et de pression (quelques dizaines de MPa), permet de créer un joint supportant des températures dépassant 900°C avant de fondre. D’autres solutions reposent sur des nano-poudres d’argent (et ne nécessitent en théorie pas de pression), ou sur des soudures par diffusion.

Un autre élément qui trouve ses limites en haute température est le fil de bonding : ce dernier, en aluminium, est difficilement utilisable au-delà de 300°C, et supporte mal le cyclage thermique. Des solutions alternatives reposent sur une structure différente du module (packaging dit “3D”), mais aucune n’offre encore la maturité du fil de bonding.

Les substrats céramiques sont également sensibles au cyclage thermique, puisqu’ils sont constitués d’une couche de céramique (faible coefficient de dilatation) en sandwich entre deux couches de métal (fort coefficient de dilatation). Les travaux portent cependant sur l’amélioration incrémentale de cette structure, car le choix des matériaux est restreint (il faut une céramique qui soit un bon conducteur de température tout en étant isolant électrique, et des métaux bons conducteurs et compatibles avec les céramiques).

D’autres problèmes encore avec les gels d’encapsulation (décomposition à haute température), La semelle (forte dilatation), les plastiques du boîtier (limités en température), et le refroidissement (peu de techniques disponibles, choix de matériaux d’interface limité).

Conclusion

L’électronique de puissance haute température a encore de nombreux progrès à faire avant d’être utilisée pleinement. La fiabilité, notamment, est encore insuffisante, surtout pour des applications aéronautiques (ou ferroviaires) qui visent une durée de vie de plusieurs dizaines d’années. D’autre part, les tests de validation restent à mettre au point : dans de nombreux cas, on utilise la température comme facteur d’accélération pour les systèmes actuels. Cela n’est pas toujours possible pour les applications haute température, car on risque alors de déclencher d’autres modes de défaillance.

La demande industrielle est cependant forte, et de nombreuses équipes de recherche (académiques et industrielles) travaillent sur le sujet, considéré par certains comme stratégique.