Chercheur Postdoctoral Caractérisation Haute Tension et Vieillissement Électrique de Structures Laminées Fr4-Preg pour le Packaging en Circuits Imprimés Pcb Intégrés H/F CNRS

Détail du poste

L'objectif de ce post-doctorat est d'étudier les propriétés électriques intrinsèques des matériaux isolants preg en FR4 sous haute tension DC et AC. Ensuite, d'évaluer le vieillissement électrique de structures laminées FR4/Cu, dans le cadre d'un assemblage PCB représentatif, lors d'essais de vieillissement électrique accéléré sous des conditions de contrainte de tension combinées (E, f, forme d'onde, polarité...) afin d'identifier les mécanismes de dégradation électrique sous-jacents. Enfin, sur la base des résultats de vieillissement, de spécifier les solutions de conception des PCB capables de répondre aux futures exigences de contrainte des dispositifs de puissance WBG.
La conversion d'énergie électrique en électronique de puissance est une technologie clé pour réussir la transition énergétique et réduire les émissions mondiales de gaz à effet de serre (GES). Elle est au coeur de la transformation de notre société avec, entre autres comme défis, l'essor de l'électrification dans les transports et dans les habitations, ainsi que l'augmentation de la part électrique dans la production d'énergie décarbonée (solaire, éolienne, nucléaire). Cependant, lors de la conversion d'énergie AC/DC, une partie de l'énergie est inexorablement perdue. Pour améliorer le rendement, la future génération de convertisseurs de puissance intégrera des composants à large bande interdite (WBG), tels que le nitrure de gallium (GaN) ou le carbure de silicium (SiC), qui offrent des pertes plus faibles, des fréquences de commutation plus élevées, des températures de fonctionnement plus élevées, une robustesse dans les environnements difficiles et des tensions de claquage élevées. Le déploiement du SiC (MOSFET 3 kV [1]) et du GaN (futur JFET 1,2 kV [2, 3]) permettra ainsi de réduire massivement les émissions de GES [4]. Par exemple, les technologies de conversion à base de GaN pourraient à elles seules permettre des économies mondiales de plusieurs milliards de tonnes de GES au cours des 15 prochaines années (par exemple, 1 milliard de tonnes aux États-Unis et en Inde seulement) [4]. Les dispositifs de puissance SiC et GaN offrent des pertes par commutation inférieures à celles du silicium (Si), des fréquences de commutation plus élevées (10 kHz) et une densité de puissance plus élevée, et ils permettent des réductions globales du coût, du poids et de la taille des systèmes [5]. De plus, ils peuvent commuter à des vitesses dV/dt de 100 V/ns ou plus, ce qui réduit considérablement les pertes par commutation. Pour profiter pleinement du potentiel de vitesse de commutation des dispositifs GaN ou SiC, leur assemblage (packaging) doit avoir des interconnexions de très faible inductance parasite (1 nH) [6-8]. Par conséquent, les nouvelles approches de packaging, telles que l'intégration des dispositifs de puissance dans des boîtiers en circuits imprimés (PCB : printed circuit board) laminés en multicouches (PCB-embedded), ont démontré qu'elles permettaient d'atteindre les performances requises à moindre coût, tout en éliminant la liaison par fils de câblage classique (wire bonding) qui entraîne des problèmes de fiabilité des dispositifs [6]. Cependant, cette prochaine génération de convertisseurs de puissance intégrés avec des contraintes de fonctionnement extrêmes de champ électrique (2-3 MV/cm), de fréquence de fonctionnement (10 kHz-1 MHz), de vitesse de commutation (100 V/ns) et de température de jonction (175 C), entraînera le transfert de tout ou partie de ces contraintes combinées aux matériaux d'isolation électrique, c'est-à-dire la couche isolante imprégnée (FR4 preg) au coeur des PCB [9]. Jusqu'à présent, peu d'information sur les limitations électriques du packaging PCB sont reporté dans l'état de l'art [10]. Il apparaît essentiel de mener des recherches dans ce domaine afin de proposer des voies de conception fiables pour l'isolation électrique du packaging PCB qui intégrera les futurs semi-conducteurs WBG.
Activités
Le/La post-doctorant.e retenu.e étudiera d'abord les propriétés électriques des matériaux isolants en FR4 sous haute tension. Cette étude sera réalisée sur différentes structures d'essai de multicouches Cu-FR4-Cu d'une épaisseur de FR4 comprise entre 35 et 100 m. Une optimisation préliminaire du procédé d'assemblage sera réalisée (par exemple, température de polymérisation...). Une première étude des caractéristiques diélectriques et électriques intrinsèques sera menée en effectuant des mesures de spectroscopie diélectrique en fréquence afin de mesurer la permittivité et le facteur de pertes diélectriques sous haute tension AC, ainsi que la conductivité électrique sous tension DC. Différentes conditions environnementales, telles que la température et l'humidité, seront prises en compte et leur influence sur les propriétés électriques sera évaluée. De plus, des tests de tension de claquage AC et DC seront effectués sur les différents stratifiés et les résultats seront analysés statistiquement afin de déduire les valeurs moyennes du champ de claquage dans diverses conditions expérimentales (température, épaisseur, nombre de couches...). Des véhicules-tests simplifiés en PCB FR4 (verticaux et latéraux) seront utilisés pour évaluer la tension d'apparition des décharges partielles (PDIV) en AC. Les profils de décharges partielles (PRPD) seront analysés. Le/la post-doctorant.e réalisera ensuite des essais de vieillissement électrique accéléré afin d'identifier les mécanismes de dégradation électrique dans diverses conditions de haute tension (E, f, forme d'onde, polarité...) en dessous et au-delà du PDIV. Ces essais seront complétés par des analyses de dégradation et de défaillance au cours du vieillissement à l'aide d'un ensemble de techniques de caractérisation (MEB, microscopie numérique, tomographie à rayons X...). Les mécanismes de dégradation seront vérifiés, leur localisation initiale, puis leur propagation jusqu'au claquage au sein d'assemblages PCB pour les différentes conditions expérimentales.
Pour mener ce plan d'expériences, le/la postdoctorant.e se chargera de la préparation des échantillons pour les expériences (lamination par thermocompression,...) en travaillant en étroite collaboration avec une plateforme interne du laboratoire LAPLACE.
Compétences
Un doctorat en génie électrique et une expérience dans le domaine des matériaux diélectriques/isolants ou de l'ingénierie des hautes tensions sont requis pour ce poste. Le caractère expérimental fort de ce projet nécessitera la compréhension et la réalisation de nombreuses expériences et caractérisations. Le/la postdoctorant.e s'inscrira dans un projet multidisciplinaire : curiosité et ouverture d'esprit envers les sciences des matériaux et leurs applications en ingénierie sont indispensables. Un niveau d'anglais courant (C1, C2) est requis pour favoriser la diffusion scientifique.
Contexte de travail


Le/La postdoctorant.e recruté.e développera son activité de recherche au laboratoire LAPLACE, au sein du groupe de recherche MDCE, situé sur le site de l'Université de Toulouse (campus UT), Toulouse, France.
Le laboratoire LAPLACE, de l'Université de Toulouse, est le plus grand institut de recherche français en génie électrique, avec 300 personnels. Il vise à tisser un continuum d'activités englobant la production, le transport, la gestion, la conversion et l'utilisation de l'électricité, couvrant tous les aspects, de l'étude des processus fondamentaux dans les solides et les gaz au développement de procédés et de systèmes. Au sein de ce vaste domaine, les thèmes majeurs concernent les décharges plasma et leurs applications, l'étude des matériaux diélectriques (polymères, céramiques, composites notamment) et leur intégration dans les systèmes électriques, l'étude et la conception de systèmes électriques, ainsi que l'optimisation de la commande des convertisseurs de puissance. De par leur nature pluridisciplinaire, les thèmes de recherche s'appuient sur une base de sciences physiques, soucieuse d'étudier les phénomènes fondamentaux et d'introduire de nouveaux concepts issus des sciences fondamentales, mais fortement motivée par les contraintes et les verrous technologiques ou environnementaux. Ils sont donc liés aux activités industrielles par le biais de diverses collaborations et participent au transfert de technologies, notamment dans le domaine aéronautique. Le groupe Matériaux Diélectriques dans la Conversion d'Énergie (MDCE) est un acteur de recherche mondialement reconnu dans le domaine des matériaux isolants et diélectriques et des technologies d'intégration 3D pour la conversion d'énergie électrique. Son activité de recherche répond à un besoin important de réduction du volume et de la masse des systèmes de conversion d'énergie, ainsi que de leurs pertes. Ce besoin se traduit concrètement par une volonté d'augmenter les niveaux de tension et la densité de puissance, de réduire les dimensions et d'utiliser de nouveaux composants dits « à large bande interdite ». Certains de ces dispositifs doivent également fonctionner dans des conditions nouvelles et difficiles, telles que la basse pression, la haute température ou la très haute tension. Dans ce contexte, le groupe MDCE travaille sur les matériaux polymères, céramiques et composites ainsi que sur les technologies d'intégration 3D (notamment le packaging des circuits imprimés PBC et les interconnexions métalliques) avec des fonctionnalités avancées (électriques, thermiques et mécaniques) pour améliorer l'efficacité des systèmes électriques fonctionnant à haute tension.
Le poste postdoctoral fait partie d'un programme de recherche en cours [2] financé par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) qui vise à développer de nouveaux transistors de puissance verticaux GaN (1200V) et leur packaging intégré en environnement PCB.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.