Pertinence de la mesure par sonde électrostatique

La caractérisation de matériaux répartiteurs de potentiels par une technique de mesure du potentiel de surface à l’aide d’une sonde à champ nul est sans doute la plus appropriée pour visualiser les effets de gradation. Toutefois, dans le cas de lignes flottantes, le problème de la sensibilité de la sonde se pose.

En effet, le constructeur garantit son efficacité pour des déplacements de 500 µm minimum. Malgré la démultiplication du déplacement par vis micrométrique, il semble difficile d’employer cette technique pour la caractérisation de nos substrats dans leurs dimensions actuelles.

Aussi, nous avons décidé dans un premier temps de tester à la fois notre technique de gradation par lignes flottantes et la mesure de potentiel de surface sur une structure de test "surdimensionnée".

Sur un substrat d’Alumine, nous avons donc déposé des pistes de cuivre présentant un écartement de 20 mm (soit un facteur 10 par rapport à la structure initiale). Deux autres pistes de cuivre de 7 mm de largeur ont été insérées entre ces deux électrodes. Ces lignes sont espacées de 2 mm. La face arrière de l’alumine est entièrement métallisée par du cuivre de 300 µm d’épaisseur. La figure 4.18 représente le schéma de principe de cet échantillon.

Fig. 4.18 : Schéma de principe pour la mesure du potentiel de surface sur un échantillon composées de deux lignes flottantes.

Comme précédemment, les électrodes supérieures (conducteurs 1 et 2) sont alimentées sous tension continue. La masse est connectée aux conducteurs 0 et 2.

La figure 4.19 représente la mesure du potentiel de l’échantillon pour une tension d’alimentation de 2 kVDC. Dans ce cas, le potentiel de surface est relevé à t=0, puis t+1 min et

t+1 h. Enfin, le potentiel est mesuré après coupure de l’alimentation continue (UDC=0V) afin

d’observer l’effet du « chargement » entre les lignes flottantes.

0 0,5 1 1,5 2 0 5 10 15 20 mesure initiale mesure après 1min mesure après 1h

mesure après 1h pour U = 0V

P o te n ti el U (k V ) Distance x (mm)

Fig. 4.19 : Potentiel de surface mesuré sur un substrat composé de deux lignes flottantes de 7 mm pour une tension d’alimentation DC de 2 kV et évolution du chargement du potentiel.

La structure se comportant comme des condensateurs plans en série, et le test étant effectué sous une contrainte continue, le potentiel entre les deux lignes ne s’annule jamais tant qu’aucune des lignes n’est reliée à la masse, ce qui permet d’observer l’effet du "chargement" de la structure et par conséquent, l’augmentation du profil U(x) au cours du temps. On voit donc dans ce cas que les conducteurs 1 et 2 sont tous les deux à 0 V et le potentiel maximal relevé se situe alors entre les deux lignes, où l’on trouve un potentiel de 1,6 kV. La

x Conducteur 0 (masse) y Conducteur 2 (masse) Isolation a z Conducteur 1 (HT) 7 7 2 2 2

décroissance du potentiel retrouve ensuite le profil observé juste avant la coupure de l’alimentation (c'est-à-dire la courbe correspondant aux mesures prises à t+1h à 2kVDC.

Afin de tenter de palier au problème du dimensionnement des pistes sur les substrats métallisés DBC, nous avons envisagé la création d’une mesure secondaire obtenue par deux pistes de cuivre qui permettent de délivrer une image de la valeur réelle du potentiel de surface. La figure 4.20, représente le principe de cette mesure. Deux lignes conductrices supplémentaires sont connectées aux lignes pour permettre la mesure du potentiel de surface via la sonde à champ nul, assurant ainsi une mesure "déportée" (figure 4.21).

Dans un premier temps, on ne connecte pas les deux pistes secondaires. Puis dans un deuxième temps, nous mesurons le potentiel sur le montage initial mais en connectant les deux pistes de report de mesures secondaires. Les deux mesures sont effectuées pour une tension de 4kVDC.

Fig. 4.20 : Schéma de principe de la mesure par pistes secondaires

0 1 2 3 4 0 5 10 15 20 Mesures initiales Mesures secondaires P o te n ti el U ( kV ) Distance x (mm)

Fig. 4.21 : Potentiel de surface mesuré sur un substrat composé de deux lignes flottantes de 7mm pour une tension d’alimentation DC de 2kV et mesure du potentiel par lignes secondaires.

Dans le premier cas, les résultats sont identiques à ceux obtenus précédemment (figure 4.19), mais pour une tension de 4kVDC. On observe ici l’allure générale de la répartition du

potentiel, notamment la présence de "paliers" de potentiel caractéristiques de cette méthode de gradation. Trois pentes sont ainsi visibles entre le conducteur 1 et 2 :

- de 4kV à 2,5kV, entre le conducteur 1 et la première ligne flottante, - de 2,5kV à 1kV, entre les deux lignes flottantes,

- de 1kV à 0V, entre la deuxième ligne flottante et le conducteur 2.

A l'inverse, le résultat obtenu lors de l’utilisation des pistes secondaires est très différent de la mesure initiale. Le palier de potentiel créé entre les deux lignes flottantes est diminué de 2kV. Cet effet est simplement lié à la mise en parallèle des lignes initiales d’un condensateur plan supplémentaire. Une approche grossière permettant d'expliquer ce résultat est que l’impédance équivalente, vue entre ces deux pistes, étant deux fois plus grande, on peut estimer que la tension sera divisée par deux à cet endroit.

1.3.Conclusion

Le principe "global" de fonctionnement d'une technique de gradation, utilisant des lignes dites « flottantes » entre les conducteurs 1 et 2 de notre structure d’étude, a été validé par simulation et ses principaux paramètres (largeur, position, et nombre de lignes) ont été étudiés.

Cependant, l'état actuel de certains verrous technologiques (comme les procédés de métallisations des céramiques) ne permettent pas d’envisager un écartement trop faible entre les lignes flottantes limitant ses potentialités. Compte tenu de ces limitations et de celles liées à la mesure du potentiel par voltmètre électrostatique, nous avons toutefois démontré le bien fondé de cette approche mais sur des échantillons "surdimensionnés".

Le principe de mesure par "image" n’ayant pu être validé, nous envisagerons par la suite d’utiliser d’autres techniques pour la caractérisation de ce principe de gradation sur des substrats DBC plus proches de la réalité. Pour cela, des mesures de ruptures diélectriques et de décharges partielles seront envisagées.