Dissertationen zum Thema „Condensateurs à films métallisés“

Le travail présenté porte sur l'étude de la fiabilité des condensateurs à films polypropylène métallisés. En particulier, une cartographie de la répartition de la température à l'intérieur du bobinage est présentée. Il apparaît ainsi que l'échauffement d'un condensateur long est plus important qu'un condensateur plat de mêmes propriétés électriques. Ceci s'explique par la valeur de l'ESR plus grande dans le cas d'un condensateur long. Les tests normalisés de vieillissements accélérés ont montré qu'une représentation de la fiabilité des condensateurs par une fonction de Weibull est possible. Ces tests, sollicitant le diélectrique, ont montré aussi qu'un condensateur plat est plus fiable. L'étude est argumentée par des photos prises par microscopies électronique et optique. L'étude consacrée à l'état de dégradation du contact schoopage-électrode des condensateurs à films métallisés a montré que la qualité de ce contact est fortement conditionnée par des paramètres liés à la fabrication : l'angle de projection des grains et les paramètres du processus de schoopage, la qualité du bord renforcé et la précision lors de son coupage, ainsi que la géométrie du condensateur et les forces électrodynamiques qui tendent à arracher le schoopage.

Le travail présenté porte sur l'étude des phénomènes physiques prenant place dans les condensateurs bobinés à films secs métallisés. En particulier, les propriétés macroscopiques des bobinages (admittance, impédance) sont étudiées et permettent de calculer la répartition des champs électrique et magnétique et des courants dans une large gamme de fréquences. Il apparaît ainsi que les courants, homogènes à basse fréquence, se concentrent en certains points des condensateurs quand la fréquence augmente, ce qui peut conduire à des échauffements et à des défaillances.
Par ailleurs, les modèles élaborés ont permis de mettre en évidence l'influence des paramètres géométriques sur les performances des condensateurs, en particulier en haute fréquence. Ainsi, de nouvelles structures - plates et annulaires - permettent de minimiser les impédances propres des bobinages. L'efficacité des condensateurs de découplage peut aussi être améliorée grâce à des connexions appropriées et l'utilisation de conducteurs symétriques réduit les échauffements.

Les convertisseurs statiques d'energie electrique sont bases sur l'association d'interrupteurs a semi-conducteur et de composants passifs : condensateurs, inductances. L'evolution des convertisseurs statiques, allant dans le sens de la reduction de l'encombrement et l'augmentation de la puissance massique, est conditionnee par la montee en frequence. Cependant, les imperfections des composants passifs deviennent plus sensibles lors de cette excursion frequentielle. Nous proposons donc dans ce travail de these de caracteriser l'origine des imperfections des condensateurs a films metallises, en particulier l'inductance parasite. Cette inductance a ete determinee en regime quasi-statique et minimisee a l'aide d'outils mathematiques de l'optimisation mettant en evidence de nouvelles geometries de condensateurs a inductance reduite. Dans une seconde phase, il a ete necessaire de suivre l'evolution frequentielle de l'inductance parasite. Des modeles mathematiques et des schemas equivalents du condensateur ont permis de prendre en compte la distribution non-homogene des courants dans le condensateur et valider l'etude de la minimisation de l'inductance parasite en regime quasi-statique. Meme reduite, cette inductance parasite subsiste toujours. Nous suggerons donc par le biais de schemas electriques equivalents, la possibilite d'en tenir compte dans les simulations fines de convertisseurs statiques fonctionnant a frequences elevees. Enfin, des mesures hautes frequences ont permis de correler la precision du modele electrocinetique a son degre de complexite.

Cette étude propose une voie pour l'amélioration de l'autocicatrisation dans les condensateurs à films de polypropylène métallisés au zinc. Nous avons élaboré, par plasma de mélange hexaméthyldisiloxane et diazote (HMDSO/N2), une couche mince organosiliciée nitrurée (ou SiNOCH) sur le film de polypropylène juste avant la métallisation au zinc. Le plasma basse pression et haute densité, est couplé inductivement. Nous avons d'abord caractérisé la composition et la structure des couches minces principalement par spectrométrie infra-rouge à transformée de Fourier (FTIR) et spectrométrie de photoélectrons X (XPS) ainsi que la phase gazeuse par spectroscopie optique d'émission (OES). Ensuite, à partir des variations temporelles du courant et de la tension au cours de l'autocicatrisation, ainsi que de la taille de la surface démétallisée, on montre que la présence d'une couche mince SiNOCH permet de diviser par trois l'énergie électrique nécessaire à l'autocicatrisation. Enfin, nous avons étudié la nature de la surface d'un film de polypropylène métallisé autocicatrisé par imagerie chimique et par analyse spectrale spatialement résolue (XPS). On observe que le film de PP est totalement mis à nu autour du claquage et qu'une fraction des couches minces SiNOCH et Zn évaporées par l'arc électrique se redépose sur les abords de la surface démétallisée
In this study, we describe a way to improve self-healing in metallized polypropylene (PP) films capacitors. A PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Depositon) thin nitride organosilicon (or SiNOCH) coating is deposited on the surface of the PP film just before the metallization with zinc. The low pressure and high density plasma is inductively coupled and the gas mixture is made with HMDSO (hexamethyldisiloxane) and N2. FTIR (Fourier Transform Infra-Red) and XPS (X-ray photoelectron spectrometry) measurements are leading to the characterization of the composition and the structure of the thin coatings, while OES (Optical Emission Spectroscopy) provides information on the composition of the gaseous phase. Then, we have measured the current and voltage variations during self-healing and the size of the demetallized surface. Evidence has been made that a thin SiNOCH coating is useful since it allows to divide by a factor three the electrical energy needed for self-healing. In order to understand self-healing mechanisms, we analyzed the self-healed metallized polypropylene film surface by chemical imaging and spatially resolved XPS. The self-healing process leads to a cleared PP surface around the breakdown point. Moreover, a fraction of the coatings SiNOCH and Zn is deposited at the frontier between the cleared surface and the metallized surface

Le domaine aéronautique connait de nos jours un engouement sans précédent autour de l'avion plus électrique. L'importance du nombre d'équipements électriques est à un tel point que l'amélioration de leur fiabilité devient incontournable. Actuellement, les composants passifs occupent 75 % des éléments électroniques utilisés en avionique dont la moitié correspond à des condensateurs. Ces derniers doivent donc répondre aux exigences environnementales avioniques assez contraignantes. C'est dans ce contexte que nous nous sommes intéressés particulièrement à l'étude des condensateurs à technologie film utilisant le polypropylène ou le polyester comme diélectrique. Afin de mieux comprendre le comportement fréquentiel de cette technologie, deux modèles fins de condensateurs films ont été développés, permettant ainsi de suivre les évolutions de leurs grandeurs électriques dans des conditions cohérentes avec l'application. Dans un deuxième temps, l'effet des contraintes en tension et en température constantes a été étudié sous la forme de facteurs d'accélération du vieillissement. Cela a été établi par l'intermédiaire de plusieurs essais, permettant d'établir les lois d'évolutions temporelles des paramètres électriques des condensateurs. Comme ces contraintes constantes ne sont pas toujours représentatives des conditions réelles d'utilisation, les cinétiques de dégradation ont été comparées à celles où les condensateurs sont sollicités par de fortes ondulations de courant, seules ou associées à une tension continue. Enfin, la dernière partie de notre travail expose l'utilisation des données expérimentales issues des essais de vieillissement dans un objectif de diagnostic en ligne. Les techniques utilisées assurent l'analyse de la dégradation de ces composants, étape essentielle dans la prédiction de l'état de santé des condensateurs en ligne

Très largement utilisés, les condensateurs à films métallisés sont une cause commune de panne des systèmes d’électronique de puissance. Leur défaillance peut engendrer des risques d’explosion et d’incendie. Outre l’enjeu de sécurité, l’étude des défaillances est justifiée par les enjeux économiques relatifs à la maintenance des systèmes. L’objectif est de prédire l’évolution du vieillissement pour estimer la durée de vie utile restante et d’anticiper les pannes soudaines. A ce jour, les lois de vieillissement les plus utilisées nécessitent d’effectuer préalablement des essais de vieillissement accéléré afin d’identifier leurs paramètres et de permettre leur extrapolation. Ces paramètres varient grandement selon les différentes séries de condensateurs et leurs fabricants. Ces lois sont donc coûteuses à exploiter et non robustes. D’autres lois sont basées sur des processus stochastiques ou sur les mécanismes de défaillance. Il reste cependant à évaluer leur robustesse et leur portée prédictive. Enfin, si des dispositifs sont mis en place pour diminuer l’occurrence des défaillances catalectiques et leurs impacts, des accidents subsistent. Il reste nécessaire de prévenir ce type de défaillance catalectique indépendamment des spécificités internes et de l’historique du condensateur. Afin de répondre à ces problématiques, des travaux ont été menés en collaboration avec Schneider Electric dans le cadre d’un contrat CIFRE. Plusieurs essais de vieillissement accéléré ont été effectués sur un total de 111 condensateurs provenant de fabricants différents. Une première campagne de test s’est focalisée sur un vieillissement dans des conditions fixes en tension alternative et en température. La seconde a ajouté la contrainte de l’humidité. Des analyses post-mortem ont montré que les différentes campagnes de vieillissement conduisaient à la prévalence d’un type de mécanisme de défaillance spécifique. La première campagne a mis en évidence les effets des auto-cicatrisations et la seconde, ceux de la corrosion. Grâce à ces résultats, des modélisations de l’évolution de la capacité selon ces deux mécanismes ont pu être établies. Ces dernières ont été validées par les données au regard de lois existantes. Une première modélisation de la dégradation de la résistance de métallisation sous l’effet d’auto-cicatrisations a également été proposée. En parallèle, un grand nombre d’emballements thermiques de condensateurs ont pu être constatés. Grâce à des relevés d’indicateurs de santé, mesurés en temps réel, une étude approfondie du processus a pu être réalisée. Des signes précurseurs du claquage thermique ont été mis en évidence. Il devient ainsi possible de détecter précocement les emballements et d’agir pour prévenir leurs dégâts. Sur ce principe, une méthode générique de prévention des risques de claquages thermiques a été proposée. Sa faisabilité a été démontrée et évaluée expérimentalement
Widely used, the metallized film capacitors are a common cause of electronic system failure. Some of their failures can lead to serious accidents and severe damage to their surroundings, such as explosions or fires. In addition to these safety issues, the failures analysis is justified by the economic issues related to the maintenance of these systems. The objective is to estimate the remaining useful lifetime and to prevent the sudden failures. Nowadays, the most used ageing laws require performing preliminary ageing tests to identify their parameters and enable their extrapolation. These parameters strongly depend on the series and the manufacturer of the capacitor itself. For these reasons, these ageing laws are costly to use and not robust. Other types of laws based on stochastic processes and related to failure mechanisms are emerging. However, their robustness and predictive capability need to be evaluated. Finally, even if measures are implemented to reduce the occurrence of catastrophic failures, risks persist. There is a need to prevent these types of failures without solely relying on the internal characteristics and the background of the capacitors. To address these issues, this work was carried out in collaboration with Schneider Electric as part of a CIFRE contract. Several accelerated ageing tests were carried out on a total of 111 capacitors from different manufacturers. The first test campaign focused on ageing under fixed conditions of alternating voltage and temperature, while the second added the additional constraint of humidity. Post-mortem analysis revealed that the different ageing campaigns led to the prevalence of a specific type of failure mechanism. The first campaign highlighted the effects of self-healing, and the second, those of corrosion. Based on these results, models of the capacitance evolution according to these two mechanisms were established. These were validated by the data in comparison to some existing laws. A first model based on the metallization resistance degradation due to self-healing effects was also proposed. Simultaneously, a large number of thermal runaways on capacitors were observed. Through real-time health indicator measurements, an in-depth study of the process was conducted. Early signs of thermal breakdown were identified. These results enable the early detection of thermal runaway and the implementation of damage prevention measures. Based on this principle, a generic method for preventing the risk of thermal breakdown was proposed. Its feasibility has been demonstrated and experimentally evaluated

Les condensateurs a films metallises subissent des phenomenes disruptifs appeles autocicatrisations, extinction spontanee d'une decharge. L'ajout de certains liquides, classique en electrotechnique, dans ces systemes peut provoquer une defaillance anormalement rapide du condensateur. L'analyse des interactions physico-chimiques, hors champ electrique, entre un film de polypropylene metallise et divers liquides impregnant permet d'expliquer la defaillance de certains systemes si ces derniers sont des agents trop fortement gonflant. La degradation de la metallisation est quantifiee par l'augmentation de la resistance superficielle avant et apres impregnation. Les mesures experimentales de l'impulsion de courant issue de l'autocicatrisation d'un defaut d'une unique couche de polypropylene metallise montrent que la destruction de l'electrode suit les memes constatations que les mesures realisees anterieurement dans des condensateurs metallises. Un modele thermique decrit les surfaces detruites en tenant compte uniquement du chauffage par effet joule de la metallisation. Ce modele est valide par les mesures experimentales. L'extinction de la decharge lors d'une autocicatrisation vient de la diminution au cours du temps de la densite volumique de puissance dissipee, pour chauffer le plasma d'aluminium, en dessous d'une valeur critique. Ce seuil d'existence du plasma est fonction de la densite du plasma, ce qui explique l'extinction plus rapide d'une decharge confinee. En effet, l'analyse de la lumiere emise par la decharge non-confinee et confinee montre que le plasma est mille fois plus dense dans le second cas. Le liquide impregnant subit quant a lui une decharge de forte densite de puissance, conduisant a la formation de carbone en suspension. La quantite de carbone qui sedimente est predite par un modele thermodynamique simple, anterieurement applique a la degradation du film de polymere. Ces particules diminuent l'aptitude du liquide a rester isolant pendant les quelques ms suivant une decharge. Les liquides dont le rapport c/h> 0,6 voit leurs proprietes dielectriques chuter en dessous de 30% de la rigidite initial. Ce seuil correspond au champ issu des couches voisines du defaut dans un condensateur et implique une defaillance globale du condensateur par re-allumage successif de la decharge.

Ce travail est consacré à l'étude des charges carbonées et des films composites de supercondensateur à électrolyte organique. Nous avons dans un prmier temps abordé les charges carbonées, matériaux principaux des films composites. Ces matériaux carbonés ont été caractérisés tant au point de vue de la morphologie du squelette carboné que de la chimie surface. Des modifications des groupements fonctionnels montrent l'impact néfaste de ces groupements sur le vieillissement du composant. La mise au point de méthodes originales de caractérisation macroscopiques des films composites a permis d'aborder l'influence des paramètres de réalisation sur les propriétés des films. Enfin, l'analyse de la concurrence situe les films Batscap et a mis en évidence l'existence d'une couche interface, barrière à la diffusion des ions, entre le collecteur et le film composite
This work is dedicated to the survey of the carbonated compounds and the composite films of supercondensateur to organic electrolyte. We have in a first time approached the carbonated compounds, main materials of the composite films. This materials has been characterized so much to the point of view of the morphology of the carbon skeleton that of the chemistry surface. The modifications of the functional groupings show the ominous impact of these groupings on the ageing of the component. The clarification of macroscopic original methods of characterization of the composite movies permitted to approach the influence of the parameters of realization on the properties of the films. Finally, the analysis of the competition situates the Batscap films and put in evidence the existence of a layer interfaces, gate to the diffusion of the ions, between the collector and the composite film

Cette these porte sur des mesures de phenomenes transitoires rapides sur des films minces. En premiere partie, on etudie l'influence de l'environnement et de la nature des electrodes sur le phenomene d'auto-regeneration dans les condensateurs a films polymere metallise, par des mesures electriques ou l'auto-regeneration se manifeste par un transitoire de courant. Un circuit de tres faible inductance a ete specialement concu pour l'acquisition en monocoup de ce transitoire rapide et non-reproductible. On analyse ainsi: la decharge du condensateur, l'energie dissipee, le courant crete, sa duree, son temps de montee,. . . En fonction de divers parametres, de film (metallisation a l'aluminium ou au zinc, resistance carree, pression appliquee. . . ). Nos resultats sont compares aux mesures effectuees en 1967 par h. Heywang et au modele spacio-temporel de j. Kammermaier et al. En 1989. La seconde partie est consacree aux films supraconducteurs ybacuo epitaxie sur mgo soumis a des impulsions electriques et optiques. En reponse a une impulsion echelon de courant, le film transite vers un etat dissipatif, mais seulement a partir d'un temps bien defini t#d. Ce temps, mesure sur une dynamique de 1 a 300 ns, se compare bien qualitativement au modele de depression du parametre d'ordre de pals et wolter (1979). Sur un film polarise en courant sur-critique, l'effet d'une impulsion laser est une elevation de resistance temporaire. A condition de limiter drastiquement la fluence optique (nj/cm#2 par pulse) on distingue deux composantes dans la relaxation: la reponse bolometrique usuelle (2,4 nsec) et un second temps (8,5 nsec 2,25k et 4nsec a 3k) decroissant lorsqu'on monte en temperature. Ce resultats est attribue a l'interaction electron-phonon acoustique

Dans le cadre de l’intégration tridimensionnelle (3D) associée à l’utilisation d’un nombre croissant de circuits intégrés (CIs), le besoin en condensateurs de découplage à forte densité de capacité (≥ 1 μF.cm-2), capables d’opérer sur une gamme de fréquences de plus en plus étendue, est crucial afin de limiter les fluctuations de tension d’alimentation au niveau des CIs. Le principal frein au développement de ces condensateurs réside dans l’obtention de couches minces (≤ 100 nm) à partir de matériaux ayant une forte permittivité relative (ε_r > 200 à 1 GHz), des technologies compatibles avec une intégration à grande échelle, et peu coûteux.L’approche proposée dans cette thèse s’appuie d’une part, sur la possibilité de synthétiser des nanoparticules diélectriques à base de Ba0.6Sr0.4TiO3 [BST] (Ø = 16 ± 2 nm, ε_r = 260 à 1 kHz) - obtenues en milieux fluides supercritiques - comme matériau diélectrique et d’autre part, sur la pulvérisation de jets ou spray coating comme technologie de dépôt en couches minces. Dans un premier temps, les nanoparticules de BST ont été synthétisées et fonctionnalisées par l’acide 3-aminopropylphosphonique (APA), dans le but de les disperser dans un solvant et d’obtenir des suspensions colloïdales stables. Les ligands ont aussi pour fonction d’améliorer la tenue mécanique des films (auto-assemblage) sur le substrat de cuivre (Cu). La variation de paramètres liés à la solution à base des nanoparticules (concentration, durée de dispersion mécanique) et à la technique de dépôt (température du substrat, débit), ont permis d’optimiser les conditions pour obtenir des films uniformes à base de nanoparticules fonctionnalisées (BST-APA). Des films de 200 ± 50 nm d’épaisseur ont ainsi pu être obtenus. Après dépôt de plots d’aluminium (Al) sur les films à base de BST-APA et utilisés comme électrode supérieure, les caractéristiques capacité-tension (C-V) et courant-tension (I-V) des condensateurs de structure Al/BST-APA/Cu ont permis d’extraire une densité de capacité élevée (0.71 μF.cm-2) et une densité de courant de fuite (25 μA.cm-2) mesurées à 1 V. Les résultats obtenus au cours de cette thèse montent que la pulvérisation de jets est une alternative aux procédés coûteux reportés (ablation laser, pulvérisation) dans l’état de l’art, pour la fabrication de condensateurs de hautes performances.Mots clés : Condensateurs MIM, couches minces, fluides supercritiques, diélectriques, Ba0.6Sr0.4TiO3, pulvérisation de jets, nanofabrication
Within the three-dimensional (3D) integration associated with the use of an increasing amount of integrated circuits (ICs), there is strong need of high capacitance density (≥ 1 μF.cm-2) decoupling capacitors, able to operate on large frequency bandwidth, in order to reduce the noise that can compromise the signal integrity in ICs. The main challenge of these capacitors relies on the deposition of thin films (≤ 100 nm) using innovative materials with high relative permittivity (ε_r > 200 à 1 GHz) and «low cost» technologies compatible with large scale integration.On one hand, the proposed approach in this thesis benefits from the possibility of synthetizing – by the supercritical fluid technology – and using Ba0.6Sr0.4TiO3 (BST) nanoparticles (Ø = 16 ± 2 nm, ε_r = 260 at1 kHz) as dielectric material and on the other hand, from the use of spray coating as technique for the deposition of these materials as thin films. First of all, the BST nanoparticles synthesized are functionalized with specific ligands (3-aminopropylphosphonic acid, APA), in order to obtain colloidal suspensions composed by aggregates with size (Ø < 100 nm) showing few fluctuations during two months. The other function of ligands is to improve the adhesion of the deposited films (self-assembling) on the copper (Cu) substrate. Different solvent are studied for the preparation of the solutions : N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP), water, methanol and ethanol. The variation of different parameters related to the solution and the deposition technique helped us to define the optimal conditions leading to different thickness of film (200 – 1000 nm) based on pristine (BST) and functionalized nanoparticles (BST-APA). Using ethanol instead of NMP as solvent, enabled us to prevent de formation of a copper oxide layer and organic residues. After deposition of aluminum pads (Al) on BST or BST-APA films and used as top electrode, the capacitance-voltage (C-V) and current-voltage (I-V) characteristics of capacitors with metal-insulator-metal (MIM) structure enabled us to achieve high capacitance density (~ 0.7 μF.cm-2) and low leakage current (~ 25 μA.cm-2) at 1 V.Keywords: MIM capacitors, thin films, supercritical fluids, Ba0.6Sr0.4TiO3, spray coating, nanofabrication in cleanroom

La croissance rapide des applications de l'Internet des Objets (IoT) a entraîné une augmentation de la demande de dispositifs de stockage d'énergie. Les micro-supercondensateurs (MSCs) sont apparus comme des candidats prometteurs pour les applications à débit rapide en raison de leurs densités de puissance élevées, de leurs capacités à haut débit, de leurs longues durées de vie et de leur nature respectueuse de l'environnement. Toutefois, le principal défi à relever pour généraliser l'utilisation des MSCs dans l'industrie est leur densité énergétique relativement faible. Pour résoudre ce problème, diverses solutions ont été explorées pour améliorer la capacité ou la tension de la cellule en jouant avec le type d'électrolytes utilisés, les matériaux d'électrodes et les topologies de dispositifs afin d'obtenir des MSCs à haute performance. Cette thèse se concentre sur l'étude des matériaux d'électrode en couche mince fabriqués par pulvérisation cathodique magnétron. Plus précisément, un alliage ternaire de nitrure de vanadium et de tungstène (VWN), le nitrure de ruthénium (RuN) et les électrolytes à l'état solide ont été étudiés en tant que matériaux d'électrode pseudocapacitifs efficaces. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet CAMISOL sélectionné par l'université de Lille dans le cadre du programme PEARL (Programme for EArly-stage Researchers in Lille) cofinancé par la Commission Européenne, dont la motivation était de fabriquer des micro-supercondensateurs asymétriques (AMSCs) à base de VN (ou VWN) // RuN à l'état solide. Des films minces de VWN ont été synthétisés en utilisant une approche de co-pulvérisation ou de multi-couches nanométriques, démontrant d'excellentes performances qui défient les meilleurs matériaux multicatoniques rapportés pour les condensateurs électrochimiques. Des techniques avancées de cartographie à l'échelle du wafer ont été employées pour corréler les propriétés structurales, électriques, mécaniques et électrochimiques des films avec les paramètres de dépôts utilisés. Cette approche offre de nouvelles perspectives et fournit un outil de caractérisation puissant pour la prochaine génération de matériaux électrochimiques fabriqués à l'Université de Lille avec des méthodes de dépôt de couches minces.Dans la partie suivante, les films RuN ont été étudiés en tant que matériaux d'électrode efficaces, et une preuve de concept pour des MSC asymétriques VN // RuN à l'état solide a été présentée. Les paramètres de pulvérisation ont été soigneusement optimisés pour maximiser la porosité du film tout en maintenant une conductivité électrique élevée. Diverses techniques avancées ont été employées pour révéler la complexité de la structure et du mécanisme de stockage de charge des films RuN. Grâce à la fenêtre de travail complémentaire des films VN et RuN dans un électrolyte aqueux KOH 1M, la tension de cellule du dispositif AMSC VN // RuN a été considérablement augmentée, atteignant jusqu'à 1,15 V. Par conséquent, l'AMSC VN // RuN a démontré l'une des densités d'énergie les plus élevées rapportées jusqu'à présent pour les AMSCs basées sur des films minces de nitrure de métal de transition. Enfin, l'étude de l'utilisation d'un électrolyte à l'état solide, d'un électrolyte hydrogel PVA/KOH et de liquides ioniques dans la fabrication d'AMSC à l'état solide a été présentée
The rapid growth of Internet of Things (IoT) applications has led in an increased demand for energy storage devices. Micro-supercapacitors (MSCs) have emerged as promising candidates for high-speed applications due to their high-rate capabilities, long cycle life and environmental friendliness. However, the main challenge to be addressed for the widespread industrial use of MSCs is their relatively low energy density. To address this issue, various solutions have been explored to increase the capacitance or the cell voltage by playing with the electrolyte used, electrode materials and device topologies to achieve high-performance MSCs. This work focuses on the investigation of thin film electrode materials prepared by magnetron sputtering deposition. In particular, vanadium tungsten nitride (VWN) and ruthenium nitride (RuN) have been investigated as efficient pseudocapacitive electrode materials. This work was carried out in the frame of the CAMISOL project selected by the Lille university through the PEARL program (Program for EArly-stage Researchers in Lille) cofunded by the European Commission, where the motivation was to fabricate solid-state VN (or VWN) // RuN asymmetric micro-supercapacitors (AMSC). VWN thin films were synthesized using co-sputtering and nanolaminate approaches and demonstrated excellent performance challenging the best multicatonic materials reported for MSCs. Advanced characterization mapping techniques were used to explore the correlation between the structural, electrical, mechanical, and electrochemical properties of the films. This approach offers new perspectives and provides a powerful characterization tool for the next generation of electrochemical materials fabricated by thin film deposition methods at Lille University.In the following part of the thesis, RuN films were investigated as efficient electrode materials, and solid-state VN // RuN AMSC was presented as a proof of concept. Sputtering parameters were carefully optimized to maximize the film porosity while maintaining high electrical conductivity. Various advanced techniques were employed to reveal the complexity of the structure and charge storage mechanism of RuN films. Taking advantage from the complementary working window of VN and RuN films in a 1M KOH aqueous electrolyte, the cell voltage of the VN // RuN AMSC device was significantly increased, reaching up to 1.15 V. As a result, the VN // RuN AMSC exhibited one of the highest areal energy densities reported so far for AMSCs based on transition metal nitride thin films. Finally, the study of the use of solid-state electrolyte, PVA/KOH hydrogel electrolyte and ionic liquids in the fabrication of all-solid-state AMSCs was presented

L’amélioration des systèmes électroniques pour le déploiement de l'avion tout électrique dépend de la capacité des composants passifs, tels que les condensateurs, à réduire leur volume, leur masse et leur coût, et augmenter leurs performances et leur fiabilité, particulièrement dans l’environnement aéronautique. Dans ce contexte, cette thèse a eu pour objectif l’étude et le développement de nouvelles technologies de condensateurs pour des applications avioniques. Dans la première partie des travaux, nous abordons l’évaluation de condensateurs céramique de puissance. La technologie céramique constitue, en effet, l’une des rares solutions matures capables de répondre aux exigences des équipementiers. La caractérisation, l’analyse des mécanismes de défaillance, de leurs effets et de leur criticité (AMDEC) ainsi que l’étude de fiabilité et de robustesse de composants commerciaux présentant des architectures originales (condensateurs multi-chips) ont été réalisées. Ces résultats ont été complétés par une étude plus amont sur la caractérisation de céramiques frittées par frittage flash (SPS). Les permittivités colossales de ces matériaux permettraient d’accroitre la fiabilité et la miniaturisation des condensateurs tout en conservant de fortes valeurs de capacité et de tension nominale. La seconde partie, plus fondamentale, a été consacrée au développement de nanoparticules céramique/polymère coeur-écorce pour des applications de condensateurs enterrés, opérant aux radiofréquences. La synthèse et les caractérisations physico-chimiques des nanocomposites ainsi que les procédés de fabrication de condensateurs en couches épaisses sont, en premier lieu, décrits. Une méthode de caractérisation électrique large bande a été mise au point pour permettre l’analyse des propriétés diélectriques et des mécanismes de conduction des nanoparticules. Les performances des dispositifs ont été recherchées en fonction de la température et des procédés de mise en forme. En outre, la durabilité en température de ces derniers a été évaluée
The improvement of electronic systems for the deployment of all-electric aircrafts depends on the ability of passive components, such as capacitors, to reduce their volume, weight and cost, and to increase their performance and reliability, particularly in the aeronautical environment. In this context, the objective of this thesis was to study and develop novel capacitor technologies for avionics. In the first part of this work, the evaluation of power ceramic capacitors has been discussed. Indeed, the ceramic technology appeared to be one of the few mature solutions meeting the requirements of OEMs. The characterization, the failure mode, effects and criticality analysis (FMECA) and reliability and robustness assessment of commercial components using original architectures (multi-chip capacitors) have been performed. These results have been completed by a more advanced study on the characterization of new ceramics sintered by spark plasma sintering (SPS). The colossal permittivity of these materials could allow to increase reliability and miniaturization of capacitors while maintaining high values of capacitance and voltage rating. The second part, more fundamental, is devoted to the development of core-shell ceramic/polymer nanoparticles for embedded capacitors operating at radiofrequencies. The synthesis and the physicochemical characterization of the nanocomposites as well as the manufacturing processes of the thick film capacitors are first described. A new broadband electrical characterization methodology has been developed to analyze the dielectric properties and the conduction mechanisms of the nanoparticles. The effects of the temperature and the manufacturing process on the device performance have been investigated. In addition, the durability was evaluated

Cette thèse examine les films minces d’oxyde de hafnium (HfO2) pour leur potentiel dans lesnanocondensateurs, répondant aux besoins en miniaturisation et haute performance del’électronique moderne. Le HfO2 est compatible avec la Déposition par Couches Atomiques(ALD), ce qui permet des dépôts minces précis et homogènes, essentiels pour garantir la fiabilitédes dispositifs électroniques. Les films minces sont soumis à différentes techniques de fabricationet de caractérisation pour analyser leur morphologie et leurs propriétés électriques, notamment laconstante diélectrique, la tension de claquage et la capacité de stockage d’énergie. Cette approchepermet de déterminer comment optimiser ces matériaux, à la fois en configurations amorphes eten structures cristallines, pour des performances maximales.Pour les diélectriques amorphes linéaires, HfO2 est combiné avec d’autres oxydes, tels quel’alumine et la silice, dans des structures de nanolaminés et de solutions solides. Ces combinaisonssont conçues pour stabiliser la constante diélectrique et offrir une résistance au claquage,améliorant l'efficacité du stockage d’énergie. La linéarité et la stabilité de ces matériaux amorphesles rendent particulièrement adaptés aux applications nécessitant une capacitance stable.L’étude approfondit aussi les propriétés des diélectriques cristallins non linéaires, dopés avec dusilicium ou de la zircone. Différentes températures de déposition et de recuit révèlent descomportements ferroélectriques et antiferroélectriques, augmentant la densité d’énergie et lastabilité. Cependant, les matériaux ferroélectriques, bien que prometteurs pour des applications àhaute densité, sont sensibles aux variations de tension, ce qui limite leur usage dans les applicationsnécessitant une capacitance constante. Les matériaux antiferroélectriques, en revanche, présententune stabilité accrue face aux variations de tension, mais ils font encore face à des défis d’efficacitéénergétique et de gestion thermique. La recherche souligne la variabilité de la constantediélectrique comme un défi majeur pour l'utilisation de ces matériaux dans des applicationsnécessitant une capacitance stable, comme le filtrage de signaux. Les matériaux nanolaminés etles solutions solides sont privilégiés pour obtenir une capacitance linéaire, mais leur efficacité restelimitée en termes de permittivité. L’exploration des phases non linéaires, cependant, ouvre la voieà des performances accrues dans certaines applications avancées.En conclusion, cette étude apporte un éclairage précieux sur les films minces d’oxyde de hafniumet leur rôle dans les nanocondensateurs, en explorant des solutions d’optimisation pour améliorerles performances diélectriques, notamment par les techniques de fabrication et les compositionsde matériaux. Les matériaux linéaires et non linéaires présentent chacun des avantages distincts,mais des recherches supplémentaires sont nécessaires pour surmonter les défis liés à la durabilité,l’efficacité électrique et la gestion thermique, afin de développer des condensateurs plusperformants pour les technologies électroniques modernes
This research investigates the use of hafnium oxide (HfO2)-based thin films in nanocapacitors, focusing on both their linear and non-linear electrical properties to meet the growing demands of high-performance and miniaturized electronic devices. Starting with the fundamental physics of energy storage capacitors, the investigation highlights the essential characteristics of effective dielectric materials, such as a high dielectric constant and a substantial band gap. Hafnium-based materials are particularly promising due to their compatibility with Atomic Layer Deposition (ALD), which allows for precise and uniform thin-film deposition—crucial for ensuring reliable performance in electronic devices.To understand the potential of these materials, various fabrication and characterization techniques were employed. This includes specific deposition processes to create the thin films and morphological tests to study the physical structure of the capacitors. Electrical testing plays a key role in evaluating critical parameters like dielectric constant, breakdown voltage, and overall energy storage capacity. By analyzing these factors, a comprehensive view of how both linear and non-linear hafnium-based dielectrics perform is provided.When exploring linear, amorphous hafnium-based dielectrics, HfO2 is combined with aluminum oxide and silicon dioxide to enhance dielectric properties. Different configurations, such as nanolaminates and solid solutions, are tested to find the optimal balance. The goal is to achieve materials that maintain a high dielectric constant and resist voltage breakdown, thereby improving their ability to store energy efficiently. On the other hand, a detailed look into non-linear, crystalline dielectrics examines the effects of doping hafnium oxide with elements like zirconia and silicon. Different deposition and annealing temperatures are assessed for their impact on crystalline structure and polarization behavior, revealing complex ferroelectric and antiferroelectric behaviors that could offer high energy density and stability.The findings suggest that while ferroelectric materials might not be suitable for applications requiring linear capacitance due to their sensitivity to voltage variations, antiferroelectric materials show promise. However, they still face challenges related to electrical efficiency and thermal management. Finding materials that can effectively stabilize voltage variations is crucial, as capacitors are increasingly used to manage these fluctuations in modern electronics.A significant challenge identified is the variability in the dielectric constant, which can limit the use of these materials in applications demanding stable capacitance, such as signal filtering. To address this issue, solid solutions and laminated materials, which provide consistent linear capacitance, are prioritized. Although these materials are effective up to a certain permittivity threshold, exploring non-linear phases opens the door to potentially higher performance under specific conditions.In summary, understanding of HfO2-based thin films and their role in nanocapacitors is advanced by this research. By examining both linear and non-linear dielectric materials, insights into how to optimize fabrication techniques and material compositions to improve dielectric properties are provided. Ongoing research into issues like material endurance, electrical efficiency, and thermal management is essential for developing reliable and high-performing capacitors that meet the evolving demands of modern electronic technologies

Cette thèse porte sur l’intégration de condensateurs accordables à base de BaxSr1-xTiO3 (BST), pour réaliser des dispositifs radiofréquences reconfigurables destinés aux antennes de téléphones portables. L’enjeu industriel principal est d’obtenir des condensateurs avec une forte accordabilité, de faibles pertes diélectriques et de faibles courants de fuite, en jouant sur la composition chimique du matériau et en contrôlant la chimie des défauts liés aux lacunes d’oxygène. La stratégie adoptée dans cette étude pour atteindre cet objectif est de doper le BST par du Mn en substitution du Ti et par du Cu en addition. Une étude complète de ces deux cas de dopage simple, réalisée à la fois sur des céramiques et des couches minces synthétisées à partir des mêmes solutions sol-gel, a dévoilé des mécanismes différents d’amélioration des propriétés diélectriques et électriques du matériau suivant le type de dopage. La complémentarité de ces deux dopants nous a alors conduit à explorer le codopage du BST en couche mince. Une architecture originale de codopage hétérogène a été mise en place, permettant de combiner les avantages des deux voies de dopage et de s’approcher fortement des spécifications imposées par le cahier des charges industriel
This PhD work is about integration of BaxSr1-xTiO3 (BST) based tunable capacitors, in order to perform radiofrequency reconfigurable devices for cell phone antennas. The main industrial goal is to obtain capacitors with a high tunability, low dielectric losses and low leakage currents, by playing on the chemical composition of the material and by controlling the oxygen vacancy related defect chemistry. The strategy addressed in this study to reach this objective is doping the BST by Mn in substitution of Ti or by adding Cu. A full study of each case of doping, performed on both ceramics and thin films synthesized from the same sol-gel solutions, revealed different improvement mechanisms of the dielectric and electrical properties of the material according to the type of doping. The complementarity of the two doping ways has led us to investigate codoping of BST thin films. An original architecture of heterogeneous codoping has been set up, allowing to combine the benefits of each doping way and to closely meet the industrial specifications

Ce travail a pour objectifs de comprendre et de prédire les gauchissements de plaquettes en silicium durant le procédé de fabrication des composants électroniques de type PTIC. Ces gauchissements sont en partie responsables de plusieurs problèmes de productivité. Cette étude repose sur un couplage entre les calculs analytiques, la modélisation par élément finis et l’expérimentation. La caractérisation mécanique des films minces constituant l’empilement a été effectuée par des techniques spécifiques comme la nanoindentation complétée par des modélisations numériques. Les contraintes intrinsèques dans les films minces ont été déterminées en couplant des mesures de gauchissements des plaquettes et des calculs par éléments finis. Les valeurs du module d’Young et des contraintes intrinsèques obtenues constituent des variables d’entrée pour calculer les gauchissements de la plaquette par des approches analytiques et numériques. La complexité des structures (plaquettes avec des milliers de puces) a nécessité l’utilisation des modèles d’homogénéisation pour estimer numériquement les gauchissements. Les résultats obtenus ont permis de prédire les gauchissements à l’échelle des plaquettes dans le but d’optimiser les conditions de fabrication afin de minimiser les risques d’apparition des problèmes mécaniques
The aim of this work is to understand and predict the warpage of silicon wafers during the fabrication process of PTIC microelectronic components. The warpages are partially responsible for several productivity problems. This study is done by coupling analytical calculation, finite element modeling and experimentation. The mechanical characterization of thin films constituting the multi-layered stack has been carried out by an experimental method nanoindentation with the help of a finite element model. The intrinsic stress in the thin films has been determined by coupling measurements of the wafer warpage and a finite element model. The obtained Young’s modulus and intrinsic stress are used to feed the database for calculating the wafer warpage by analytical and numerical approaches. The complexity of the structures (thousands of components in the wafer) required the use of homogenized models to calculate the wafer warpage. These results obtained allow the prediction of the wafer-level warpage in order to optimize the fabrication process flow and therefore reduce the risk of the mechanical problem

Les pertes dans les condensateurs bobinés utilisés en électronique de puissance : Mesure calorimétrique et modélisation L'échauffement des condensateurs utilisés en électronique de puissance, est dû aux pertes électriques. que l'on représente généralement par une résistance série équivalente ESR. La faiblesse du rapport P/Q (=tan5, facteur de dissipation) entre la puissance dissipée et la puissance réactive mise en jeu par le composant (HT* à 10':), rend difficile la mesure de ESR par des méthodes classiques. Pour mener à bien cette mesure, un dispositif calorimétrique a été conçu. D permet de caractériser avec précision des condensateurs à très faibles pertes (tanS < 5.10"4) comme les condensateurs bobinés à films de polypropylène. Les condensateurs peuvent être testés en régime sinusoïdal sous tension nominale, dans la gamme de fréquence 1 kHz-1 MHz, et pour des températures comprises entre -50°C et +100°C. Différents condensateurs bobinés utilisant comme matériau diélectrique Je polypropylène, le polycarbonate et le polyéthylène théréphtalate, ont ainsi été caractérisés. Les pertes dans le matériau diélectrique et les pertes dans les parties métalliques des composants ont été séparées, ce qui nous a permis d'étudier les variations du facteur de dissipation tan5 de ces polymères avec la température, pour différentes fréquences. A partir de ces résultats expérimentaux, un circuit équivalent, composé d'éléments passifs R, L et C, a été proposé pour modéliser les variations de ESR avec la fréquence, pour différentes températures. Cette modélisation a été validée pour les régimes non sinusoïdaux de l'électronique de puissance, en comparant les résultats de mesures calorimétriques de pertes sur des condensateurs en fonctionnement dans des convertisseurs statiques, avec les évaluations de ces pertes par simulation utilisant le circuit équivalent proposé.