SECTIONNEUR A BASE DE NANOTHERMITES
IV.3. Conception d’un sectionneur à partir d’un pyroMEMS
Le démonstrateur est constitué de deux pistes de cuivre indépendantes dont l’intersection, constituant le court-circuit, est sectionnable à l’aide d’un pyroMEMS intégrant une nanothermite [11], [28] garantissant le très faible encombrement requis dans le cahier des charges. Ici, le pyroMEMS V2 sur substrat pyrex dont les caractéristiques seront rappelées brièvement, sera utilisé car il n’y a pas de contrainte d’initiation sous faible courant. Ce qui suit présente le dimensionnement des différents éléments constitutifs du sectionneur : la pastille en cuivre faisant office de court-circuit et les pistes de cuivre, la cavité ou chambre de combustion que nous détaillerons l’un après l’autre.
CONCEPTION ET FABRICATION D’UN SECTIONNEUR
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IV.3.1.
Dimensionnement de la pastille de Cu et choix technologiques
Le dimensionnement de la pastille de cuivre constitutif du court-circuit permettra de choisir la technologie (circuits imprimés ou intégration microélectronique sur substrat) de fabrication. Pour cela, nous nous appuyons sur la norme IPC 2221 qui exprime l’intensité maximale (en continue) admissible en fonction de la section d’un fil ou piste de cuivre.
∆ , ,
Équation IV.1
Avec l’intensité maximale admissible par la piste, 1,04 10 , ∆ l’élévation de
température en °C et la section de la piste en mil.
Le Tableau IV.1 donne la section de Cu à déposer en fonction des intensités de courant admissibles par la norme ICP 2221 pour une augmentation de température maximale variant de 100 °C à 200 °C.
Tableau IV.1 : Valeurs des sections de cuivre calculées en fonction de l’intensité maximale et pour une élévation de température de 100 °C ou 200 °C (suivant la norme IPC 2221).
Intensité I (A) Section de cuivre (× 10-3 mm²) ∆ 100 ° ∆ 150 ° ∆ 200 ° 20 162 127 106 40 421 329 277 60 737 576 484 80 1096 857 720
Pour un courant continu de 80 A la section de cuivre doit être supérieure à 0,7 µm² (élévation de température de 200 °C), ce qui est trop élevée pour envisager la réalisation d’une pastille de cuivre par dépôt physique en phase vapeur (PVD). Nous optons alors pour une technologie plus conventionnelle intégrant une pastille de Cu de forte épaisseur (> 10 µm) et de largeur > 7 mm. L’épaisseur de la pastille choisie pour l’étude sera égale à 100 µm mais ce paramètre peut être redéfini en fonction des spécifications et des applications sans remettre en cause le concept présenté ici.
IV.3.2.
Conception et dimensionnement de l’actionneur
Pour assurer un encombrement faible, conformément au cahier des charges, à partir de technologies conventionnelles, nous proposons de réaliser le démonstrateur sur circuit imprimé, aussi appelé PCB.
CHAPITRE IV
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La pression de rupture (Équation IV.2) d’une piste de cuivre par cisaillement en
fonction de son épaisseur est donnée sur le graphe en Figure IV.6. Pour une épaisseur de 100 µm, il faut générer au moins 6,5 MPa pour rompre la piste, sans garantir que la rupture soit propre et assure le basculement ONOFF (cf. Figure IV.6).
A partir des travaux antérieurs réalisés au LAAS, la génération de 6,5 MPa de pression nécessite un taux de compaction de 12 % TMD (Densité Maximale Théorique en français et
‘Theoritical Maximum Density’ en anglais) soit 24 mg de nanothermite Al/CuO dans 40 mm3
pour assurer le sectionnement [16]. Il apparait donc impossible de rompre un tel court-circuit de façon fiable et sécurisée à partir d’un pyroMEMS qui n’intègre que 282 µg de nanothermites.
2 Équation IV.2
Avec , , , , respectivement la limite à la rupture de la pastille, la surface d’application
de la pression, le diamètre et l’épaisseur de la pastille de cuivre.
Figure IV.6 : Pression nécessaire à la rupture d'une pastille de cuivre par cisaillement en fonction de son épaisseur.
Nous nous sommes alors orientés vers une solution alternative qui consiste à souder ou coller une pastille de cuivre de section 100 µm x 8 mm sur deux pistes de Cu de section 53 µm x 0,8 cm déposées sur un circuit PCB conventionnel (cf. Figure IV.7). Dans ce cas-ci la pression de rupture ne dépend que du type de connexion et de la surface d’application de la colle/soudure. Sous la pastille en Cu est usinée une cavité de diamètre 7 mm dans laquelle
CONCEPTION ET FABRICATION D’UN SECTIONNEUR
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sera positionné un actionneur pyrotechnique, déclenchant le basculement de l’état ON à OFF sous ordre électrique. Ainsi, un deuxième circuit de type PCB assure le positionnement et la commande de l’actionneur pyrotechnique.
Un second actionneur pyrotechnique inactif, c’est-à-dire non connecté électriquement, est positionné dans le dispositif pour des raisons de sécurité imposées par l’industriel. Notamment, en cas de feu/incendie, l’actionneur pyrotechnique inactif, conçu plus réactif, devra se déclencher avant l’actionneur actif (actionneur de rupture du court-circuit) isolant et donc protégeant le circuit aval en cas d’ouverture intempestive du court-circuit. Ce second actionneur ne sera pas développé dans cette thèse mais sera tout de même prévu dans la conception.
Figure IV.7 : Schémas du premier démonstrateur (a) après assemblage et (b) en vue éclatée.
En résumé, le démonstrateur est composé de 5 éléments assemblés comme schématisés sur la Figure IV.8 :
- Un PCB supérieur (épaisseur 1,6 mm = épaisseur de l’actionneur pyrotechnique),
troué au centre et comprenant deux pistes en cuivre d’épaisseur 53 µm. NB : Une fine couche Nickel-Or est déposée en surface des métallisations afin d’éviter l’oxydation du cuivre en présence d’air.
- Une pastille de cuivre de 8 mm × 10 mm × 100 µm, constituant le court-circuit à
déconnecter.
- Un PCB inférieur (épaisseur standard de 1 mm) sur lequel sont reportés et
connectés les pyroMEMS.
- Deux actionneurs pyrotechniques, un connecté et l’autre non, constitués de :
o Une puce d’initiation pyroMEMS V2 sur substrat pyrex, 6 mm × 2 mm,
fabriquée suivant le procédé publié dans [28] et présenté dans le chapitre II, permettant la génération d’une flamme à partir d’une nanothermite
CHAPITRE IV
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multicouches en moins de 0,5 ms sous 2 A. Cette dernière est composée d’une alternance de 15 bicouches d’Al et de CuO de 400 nm d’épaisseur. La quantité de nanothermite multicouches sur le pyroMEMS est ~ 282 µg. Le pyroMEMS V2 a été choisi car son design a été optimisé dans le chapitre III et a été préféré au pyroMEMS « pré-industriel » car le temps d’initiation sous 2 A permet d’achever un actionnement en moins de 1 ms. Enfin, le substrat pyrex a été préféré au substrat pyrex/Kapton car l’intégration est facilitée. De plus, il permet de garantir un seuil de non feu de 0,4 A ainsi qu’un seuil de tout feu entre 1 et 4 A [28].
o Sur cette puce est assemblée une rondelle contenant une masse de
nanothermite en poudre génératrice de pression. Le choix s’est porté sur le couple Al/CuO qui est un bon compromis entre génération de pression, vitesse de combustion et sensibilité [16], [39], [57].
Figure IV.8 : Schéma en coupe du démonstrateur.
La fabrication et l’assemblage des deux PCB ont été sous-traités à l’entreprise CIRLY (France). Nous avons, au LAAS, préparé les pastilles de cuivre, fabriqué les puces pyroMEMS, synthétisé les nanothermites à intégrer dans la rondelle et assemblé le tout.
La suite de ce chapitre présente les résultats suivant trois parties. Une première partie présente la mise au point et le fonctionnement du dispositif dans l’état ON. Notamment, il est important de s’assurer que la pastille de cuivre soudée/collée entre les deux pistes du PCB permet le passage de 80 A pendant 10 ms en restant à des températures inférieures à 200 °C. Aussi, la pression d’arrachage de la pastille en fonction de la technique d’assemblage (soudure ou collage) doit être caractérisée précisément afin de dimensionner l’actionneur pyrotechnique, notamment, la masse de nanothermites à insérer dans la cavité pour générer une impulsion de pression permettant de détacher la pastille de cuivre en moins de 1 ms et avec une fiabilité supérieure à 99 %.
Une deuxième partie présente les travaux de mise en forme et caractérisation de nanopoudres Al/CuO en vue de générer des appoints de pression locaux. Cette partie s’appuie sur le savoir-faire du LAAS et des travaux antérieurs, notamment les thèses de L.Glavier [26]
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et V.Baijot [107], qui ont étudié pour la 1ière expérimentalement et la 2ème théoriquement
l’influence de la stœchiométrie et des tailles de particules sur la pression générée par les nanopoudres Al/CuO , Bi2O3, etc. Cette partie se termine par la présentation de la fabrication
de l’actionneur pyrotechnique, constitué du pyroMEMS, sur lequel est déposée la rondelle avec la stœchiométrie de nanothermite optimisée.
Enfin, une troisième partie présente l’assemblage et les caractérisations de 10 dispositifs contenant différentes masses de nanothermite. Pour chaque dispositif, les temps d’ouverture du court-circuit (arrachage de la pastille de cuivre) sont mesurés. Enfin, une fois sectionnée, la pastille de cuivre doit être récupérée de façon sécurisée et fiable, et la solution mise en œuvre sera présentée.