Nouvelle génération de substrats organiques pour la conversion d'énergie électrique // New generation of organic susbtrates for power conversion

Les récentes avancées dans les moteurs électriques et l'électronique de puissance associée engendrent une hausse significative des besoins en densité de puissance. Cette augmentation de la densité de puissance implique ainsi des surfaces d'échange thermique réduites, ce qui amplifie les défis liés à l'évacuation de la chaleur due aux pertes produites par les composants d’électronique de puissance lors de leur fonctionnement. En effet, l'absence d'une dissipation adéquate entraîne une surchauffe des composants électroniques, impactant leurs performances, durabilité et fiabilité. D’autres problématiques liées au coût, à la réparabilité et aux contraintes thermomécaniques remettent en question les interfaces thermiques isolantes traditionnelles réalisées à base de céramique. Ainsi, il est impératif de développer une nouvelle génération de matériaux dissipateurs thermiques prenant en considération l’environnement du système.

L’objectif de cette thèse est de substituer dans les systèmes de modules de puissance le substrat céramique, qui a pour rôle principal d’être la couche diélectrique du système, par un composite à matrice organique thermo-conducteur. Le substrat actuel présente des limitations bien connues (fragilité, mauvaise interface, limite de cyclage, coût). Le substrat organique devra avoir une conductivité thermique la plus élevée possible (>3 W/m.k) afin de dissiper convenablement la chaleur émise tout en étant isolant électrique avec une tension de claquage d’environ 3kV/mm. Il devra également avoir un coefficient d’expansion thermique (CTE) compatible avec celui du cuivre afin de supprimer les phénomènes de délamination lors des cyclages subis par le dispositif pendant son temps de vie. L’innovation des travaux du doctorant résidera dans l’utilisation de (nano)charges très conductrices thermiquement qui seront isolées électriquement (revêtement isolant) et pourront être orientées dans une résine polymère sous stimulus externe. Le développement du revêtement isolant électrique sur le cœur thermo-conducteur se fera par voie sol-gel. La synthèse sera contrôlée et optimisée en vue de corréler l’homogénéité et l’épaisseur du revêtement aux performances diélectriques et thermique du (nano)composite. L’interface charge/matrice (source potentielle de diffraction des phonons) sera également étudiée. Un second volet portera sur le greffage de nanoparticules magnétiques (NPM) sur les (nano)charges thermo-conductrices. Des NPM commerciales seront évaluées (selon les besoins des nuances synthétisées en laboratoire pourront être également évaluées). Les (nano)composites devront posséder une rhéologie compatible avec les procédés de pressage et/ou d’injection.


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Recent advances in electric motors and associated power electronics have led to a significant increase in power density requirements. This increase in power density means smaller heat exchange surfaces, which amplifies the challenges associated with dissipating the heat generated by power electronics components during operation. In fact, the lack of adequate heat dissipation causes electronic components to overheat, impacting their performance, durability, and reliability. Other issues related to cost, repairability, and thermomechanical constraints call into question traditional ceramic-based insulating thermal interfaces. It is therefore imperative to develop a new generation of heat-dissipating materials that take the system environment into account.
The objective of this thesis is to replace the ceramic substrate in power module systems, whose main role is to act as the system's dielectric layer, with a thermally conductive organic matrix composite. The current substrate has well-known limitations (fragility, poor interface, cycling limit, cost). The organic substrate must have the highest possible thermal conductivity (>3 W/m.k) in order to dissipate the heat emitted properly, while also being electrically insulating with a breakdown voltage of approximately 3kV/mm. It must also have a coefficient of thermal expansion (CTE) compatible with that of copper in order to eliminate delamination phenomena during the cycling undergone by the device during its lifetime. The innovation of the doctoral student's work will lie in the use of highly thermally conductive (nano)fillers that will be electrically insulated (insulating coating) and can be oriented in a polymer resin under external stimulus.

The development of the electrical insulating shell on the thermally conductive core will be carried out using the sol-gel method. The synthesis will be controlled and optimized in order to correlate the homogeneity and thickness of the coating with the dielectric and thermal performance of the (nano)composite. The charge/matrix interface (a potential source of phonon diffraction) will also be studied. A second part will focus on grafting magnetic nanoparticles (MNPs) onto thermally conductive (nano)fillers. Commercial MNPs will be evaluated (depending on requirements, grades synthesized in the laboratory may also be evaluated). The (nano)composites must have rheology compatible with pressing and/or injection processes.

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Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département Systèmes (LETI)
Service : Service Systèmes de Capteurs, électroniques pour l’Energie
Laboratoire : Laboratoire Electronique Energie et Puissance
Date de début souhaitée : 01-10-2026
Ecole doctorale : Ingénierie - Matériaux - Environnement - Energétique - Procédés - Production (IMEP2)
Directeur de thèse : SIMONATO Jean-Pierre
Organisme : CEA
Laboratoire : DES
URL : http://www.leti-cea.fr/cea-tech/leti/Pages/recherche-appliquee/plateformes/electronique-puissance.aspx

Financement public/privé

Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département Systèmes (LETI)
Service : Service Systèmes de Capteurs, électroniques pour l’Energie

Sciences des matériaux, chimie, matériaux diélectriques