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 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.