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Thèse Année : 2023

Manufacturing and characterization of self-healing polymer materials intended for the electrical insulation of future power modules

Mise en oeuvre et caractérisation de matériaux polymères autocicatrisants pour assurer les fonctions d'isolation électrique des futurs modules de puissance

Baptiste Arati
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1278379
  • IdRef : 22553777X

Résumé

Conventional power modules are electrically insulated with soft silicone gel, that surrounds the power components and their connective wire bonds. But with the growing need for higher power densities, faster switching frequencies and longer operational times, new power module architectures that can satisfy the reliability requirements are now developed. One of the most promising concept for new Power Modules packages is the PCB (Printed Circuit Board)-embedded design, where the power components are buried inside the thermoset composite substrate. However, confining the active component raises technical challenges and thermo-mechanical failure is a major reliability concern for these designs. With the recent change of paradigm in thermosetting materials covalent adaptable networks cross the gap between thermosetting and thermoplastic and offer new properties for the dielectric material (intrinsic self-healing, tuneable thermomechanical profile, recycling...). Usually intended for mechanical applications, the development of dynamic networks is promising for repairing mechanical damages caused during thermal cycles and prevent the subsequent electrical degradation of the PCBs. The objective of this thesis is therefore to develop a new self-healing polymer, compatible with the requirements of the next generation of PM and that can answer their reliability needs. Vitrimers have especially echoed in the scientific community as a promising self-healing solution compatible with industrial applications. By directly reacting industrial epoxy resins used in the PCB field with carboxylic acids, it is possible to create a transesterification-based vitrimer to produce self-healing PCBs. With the ability to tune properties with carboxylic acid blends and catalyst content, vitrimers are offering a flexible base to explore new self-healing power module concepts. Based on the most used epoxy resin in the PCB manufacturing industry, the main vitrimer of this study is produced from bulk polymerization of diglycidyl ether of bisphenol A (DGEBA) resin and sebacic acid, in the presence of 1-methylimidazole as catalyst. Unlike reprocessing demonstrations shown in the literature, a critical study of the healing capabilities of the material within the application frame is proposed. By removing the use of constant external pressure for the healing process, healing conditions are closer to what can be encountered in operation. To promote high mobility without the added pressure work, shape-memory is used to assist the healing process, yielding excellent joining ability and healing efficiency, demonstrated both on mechanical and electrical indicators. The applicability of such a material to the power field is also demonstrated. The very high dielectric strength and thermal stability of the material is shown, validating its use for high-power applications. Manufacturing of a complete self-healing vitrimeric PCB compatible with high-density interconnection processes is shown, demonstrating that these materials are valuable for the future power module packaging trends. Finally, a study of the main conduction mechanism of vitrimers in regard to their mobility is proposed. Conduction in polymers is often based on relaxation modes in polymeric chains, allowing the diffusion of conductive species in the network. In addition of the glass transition, vitrimers also exhibit a vitrimeric transition, driven by the trans-esterification exchange reaction in the network. In that regard, it is possible to express a link between conductivity and viscosity at high temperatures, that may be useful to design efficient vitrimers for electrical insulation applications.
Les modules classiques sont isolés électriquement avec un gel silicone, entourant les composants de puissance et leur fils de bonding. Mais le besoin croissant pour des densités de puissance fortes, des fréquences de commutation plus élevées et des temps de fonctionnement plus important pousse au développement de nouvelles architectures plus fiables. L'un des concepts les plus prometteur est le Printed Circuit Board (PCB) enterré, où le composant de puissance réside à l'intérieur du substrat composite thermodurcissable. Cependant, confiner le composant actif pose des défis techniques et la défaillance thermomécanique reste une difficulté majeure pour la fiabilité de ces objets. Avec le récent changement de paradigme dans la famille thermodurcissable, les réseaux covalents adaptables permettent maintenant faire le pont entre les thermodurs et les thermoplastiques et offrent de nouvelles propriétés pour le matériau diélectrique (autocicatrisation, propriété mécaniques modifiables, recyclage...). Habituellement dirigé vers les applications mécaniques, développer un réseau dynamique est prometteur pour réparer les dommages mécaniques causés par le cyclage thermique et prévenir les défaut électriques associés. L'objectif de cette thèse est donc de développer un polymère autocicatrisant, compatible avec les prérequis de la nouvelle génération de modules, et pouvant adresser leurs besoins en fiabilité. Les vitrimères ont particulièrement résonnés dans la communauté scientifique comme une solution autocicatrisante compatible avec les applications industrielles. En faisant réagir une résine époxy industrielle avec un acide carboxylique, il est possible d'obtenir un vitrimer basé sur la transestérification et produire des PCBs autocicatrisants. Avec la capacité à modifier leurs propriétés avec des mélanges d'acides carboxyliques et en faisant varier la teneur en catalyseur , les vitrimères offrent une base flexible pour explorer de nouveaux concepts de modules autocicatrisants. Contrairement aux démonstrations de reprocessabilité issus de la littérature, une étude critique des capacités de réparation du matériau dans son cadre applicatif est proposé. En n'utilisant pas de pression externe continue pendant la réparation, les conditions de recouvrement sont plus alignées avec les conditions d'opération réelles. Pour promouvoir une mobilité importante sans utiliser de pression externe, la mémoire de forme du matériau est utilisée afin d'aider à la réparation, permettant d'obtenir une excellente fermeture et réparation du dommage, démontré sur des indicateurs mécaniques et électriques. L'applicabilité d'un tel matériau au domaine de la puissance est aussi démontré. La haute rigidité diélectrique et stabilité thermique du matériau sont présentées, validant son utilisation pour des applications haute puissance. La fabrication d'un PCB autocicatrisant est présentée, démontrant l'intérêt de ces matériaux pour les tendances futures du packaging des modules de puissance. Enfin, l'étude des phénomènes de conduction majoritaires des vitrimer en regard de leur mobilité est proposée. La conduction d'un polymère est souvent attribuée aux modes de relaxation de ses chaines, permettant la diffusion d'espèces conductrices dans le réseau. En plus de la transition vitreuse, les vitrimères possèdent une transition vitrimérique, pilotée par les réactions d'échanges du réseau. Il est donc possible d'exprimer un lien entre viscosité et conductivité à haute température, pouvant être utiles pour élaborer des vitrimères efficients pour les applications d'isolation électriques.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04189885 , version 1 (29-08-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04189885 , version 1

Citer

Baptiste Arati. Manufacturing and characterization of self-healing polymer materials intended for the electrical insulation of future power modules. Electric power. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2023. English. ⟨NNT : 2023TOU30012⟩. ⟨tel-04189885⟩
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