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Additive manufactured composite dielectrics for aerospace electrical insulation applications
No full textDurant la dernière décennie, la "fabrication additive" (FA) a connu une augmentation exponentielle des investissements, infrastructures, services et matériaux disponibles. Dans FA appliquée aux véhicules aérospatiaux, les matériaux et les processus ont atteint leur pleine maturité technique et sont déjà utilisés sur des avions commerciaux, que ce soit pour des buses complexes de carburant des moteurs ou pour des assemblages structurels de l'intérieur de la cabine. Les avantages des pièces en FA sont la réduction du poids, du nombre de composants et du temps de fabrication. À l'inverse, la production de composants électriques par FA est restée relativement modeste, avec des éléments magnétiques et conducteurs prototypés avec succès, mais laissant de côté l’isolation électrique. Dans l'état actuel de maturité technique de la FA, les aspirations en matière de composants électriques et d'assemblages complexes restent très élevées. La NASA a identifié la FA comme un outil clé pour le développement des bases lunaires ou pour les missions habitées vers Mars. Dans la propulsion avancée des avions, les composants "électriques" produits par FA pour les onduleurs haute tension refroidis par cryogénie ont été également utilisés, dans des applications structurelles. L’utilisation des tensions plus élevées sur les avions a deux objectifs : améliorer le rendement énergétique de la propulsion conventionnelle ou permettre l'électrification complète du système de propulsion. L'électrification du système de propulsion peut passer par des systèmes "tout électrique" ou par des systèmes de turbine à gaz à haute densité de puissance qui alimentent un système de propulsion électrique. Cette thèse se concentre sur deux aspects de l'isolation électrique produite par FA dans un contexte aéronautique : (1) la méthodologie d'évaluation et (2) l'utilité des matériaux FA dans les applications d'isolation électrique. Trois procédés de FA ont été examinés : stéréolithographie (SLA), frittage laser sélectif (SLS) et modélisation par dépôt en fusion (FDM). Des tests de conductivité, de permittivité complexe, de décharges partielles et de rigidité diélectrique ont été réalisés sur des échantillons imprimés dans différentes orientations. La caractérisation diélectrique a été réalisée sur une large gamme de fréquences (DC à 1 MHz) et de températures (-65oC à +200oC). Un modèle de résistance à la rupture diélectrique a été développé et appliqué aux résultats des essais. La méthode est une extension de celle de Schneider (2013) et introduit le concept de "fluence énergétique critique" pour la caractéristique de seuil d'un matériau facilitant la propagation de la rupture filamentaire. Cette méthode offre un moyen d'extrapoler les données d'essai à des épaisseurs arbitraires ainsi qu'à des variations de la permittivité. En général, les matériaux étudiés ont présenté un comportement diélectrique acceptable, à l'exception du FDM qui a produit des structures avec des espaces vides importants dans la structure. Le photopolymère (SLA) et le polymère thermoplastique (SLS) offraient des performances diélectriques médiocres au-dessus de 80oC correspondant aux températures de ramollissement des matériaux. Aucun avantage clair par rapport aux systèmes d'isolation existants n'a été mis en évidence, si ce n'est qu'ils permettent des conceptions multifonctionnelles complexes (diélectriques, structurelles et thermiques). Des tenues diélectriques dépassant 30 kV/mm pour une épaisseur de 1,0 mm ont été observées pour les échantillons SLA et SLS, avec des lois d'échelle de rigidité diélectrique explorées sur une gamme d'épaisseurs allant jusqu'à 5 mm. Pour les orientations de construction orthogonales (XY et YZ), aucun comportement diélectrique anisotrope n'a été observé, à l’exception des échantillons FDM comportant des vides internes d’orientations diverses, caractéristique les rendant inutilisables dans les applications dont les tensions avoisinent le minimum de Paschen.Over the past decade, "additive manufacturing" (AM) has seen an exponential increase in investment, infrastructure, services and materials available. The advantages of AM parts are reduced weight, reduced number of components and reduced manufacturing time. Conversely, in the application of AM to produce electrical components, the level of technical readiness remained relatively low. Magnetic and conductive elements have been successfully prototyped, but to obtain a machine or assembly "entirely" manufactured by FA, the printing of robust electrical insulation is essential. The need to use higher voltages on aircraft has two main applications: either to improve the fuel efficiency of conventional propulsion, or to enable the complete electrification of the propulsion system. Propulsion system electrification can be a combination of all-electric systems or high-power density gas turbine systems to power an electric propulsion system. This thesis focuses on two aspects of electrical insulation produced by AM in the context of airborne applications: (1) the evaluation methodology, and (2) the usefulness of AM materials in aerospace electrical insulation applications. Three AM processes were examined: stereolithography (SLA), selective laser sintering (SLS) and fusion deposition modelling (FDM). Tests for conductivity, complex permittivity, partial discharge in volume and dielectric rupture were carried out on samples printed in different orientations. The dielectric characterization was carried out over a wide range of frequencies (DC to 1 MHz) and temperatures (-65°C to +200°C; depending on the material). A dielectric fracture resistance model was developed and applied to the test results. The method was an extension of Schneider (2013) and introduced the concept of "critical energy fluence" for the threshold characteristic of a material to facilitate the propagation of filament fracture. This method provided a means of extrapolating test data to arbitrary thicknesses as well as permittivity disturbances. In general, the materials studied exhibited acceptable dielectric behavior, with the exception of FDM which produced structures with large empty spaces in the structure. A "composite" dielectric structure was inadvertently examined to the extent that the materials printed by FDM were a matrix of polyetherimide and air. Photopolymer (SLA) and thermoplastic polymer (SLS) offered poor dielectric performance above 80°C corresponding to the softening temperatures of the materials. No clear advantages over existing insulation systems were demonstrated, other than that they allow complex multifunctional designs (dielectric, structural and thermal). Dielectric holdings exceeding 30 kV/mm for a thickness of 1.0 mm were observed for SLA e samplest SLS, with dielectric stiffness scale laws explored over a thickness range of up to 5.0 mm. For orthogonal construction orientations (construction XY and YZ), no discernible anisotropic dielectric behavior was observed. In the structures printed by FDM, the extended internal voids exhibited anisotropic behavior due to the nature of the shape and orientation of the voids. As built, the FDM method is unusable in applications whose voltages approach the Paschen minimum
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Variations on the Author
Full text link“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Appropriate Similarity Measures for Author Cocitation Analysis
Full text linkWe provide a number of new insights into the methodological discussion about author cocitation analysis. We first argue that the use of the Pearson correlation for measuring the similarity between authors’ cocitation profiles is not very satisfactory. We then discuss what kind of similarity measures may be used as an alternative to the Pearson correlation. We consider three similarity measures in particular. One is the well-known cosine. The other two similarity measures have not been used before in the bibliometric literature. Finally, we show by means of an example that our findings have a high practical relevance.information science;Pearson correlation;cosine;similarity measure;author cocitation analysis
High temperature high voltage packaging of wide-band gap components
No full textEn électronique de puissance, un des principaux axes de recherche, concerne la montée en température. L'encapsulation et la passivation du module de puissance constituent, sous cette contrainte, des verrous technologiques. En effet, les matériaux polymères habituellement utilisés ne peuvent plus satisfaire des exigences en température fixée dans notre étude à 350°C sans pertes importantes de leurs propriétés diélectriques. L'isolation gazeuse a été alors envisagée et quelques résultats encourageants ont été dégagés. Le seuil d'apparition des décharges dans des gaz est étudié en vue de leur utilisation dans des modules de puissance à haute température. Deux gaz ont été sélectionnés pour leurs propriétés diélectriques et leurs GWP faibles : l'octafluoropropane (C3F8) et l'octafluorocyclobutane (c-C4F8), l'azote (N2) faisant référence pour comparaison. Au préalable, une étude sur les céramiques les plus utilisées à haute température est réalisée. Cette étude montre un changement du mécanisme de conduction de l'alumine et de l'AlN passant d'un régime capacitif à un régime résistif et modifiant au passage les propriétés de surface en facilitant l'écoulement des charges dans le volume du matériau tandis que le Si3N4 conserve un comportement capacitif et les charges en surface même à haute température. L'échauffement local des gaz met en évidence une diminution du seuil d'apparition des décharges avec la température et ce quel que soit le gaz étudié. La modification de la distance inter-électrodes permet de diminuer la variation du seuil d'apparition avec la température pour de faibles distances. Des expériences complémentaires ont été menées afin de comparer ces résultats à ceux obtenus lors d'un chauffage global. L'utilisation de gaz dans des packaging de puissance s'avère donc prometteuse mais demande une meilleure compréhension et maîtrise des mécanismes en jeu.In power electronics, one of the main research topics concerns high temperature operation of the components. Under such a constraint, the encapsulation and the passivation of the semiconductors devices in power module appear as physical and technological bottleneck. As a matter of fact, usual polymeric materials are unable to endure the temperature requirements set out in our study (350 °C) without significant loss of their dielectric properties. Therefore, gas insulation is considered and encouraging results have been obtained. The Discharges Inception Voltage is studied for different gases that could be used in high temperature power modules. Thanks to their dielectric properties and their low GWP, two gases have been selected: octafluoropropane (C3F8) and octafluorocyclobutane (c-C4F8), nitrogen (N2) being used as reference in this study. In a first step, the high temperature behaviors of the most widely used substrate materials (ceramics) are studied. A change of the conduction mechanism from a pure capacitive behavior (at low temperature) to a pure resistive one (at high temperature) is observed for both alumina and AlN samples. On the contrary, Si3N4 remains capacitive whatever the temperature. Such a behavior has an impact on the charges located at the surface. They disappear quickly for the two formers while they slowly decrease for the later. The field reinforcement associated to their existence and its impact on the DIV will not be the same. Whatever the gas under study, a local heating leads to a decrease in the DIV with temperature. A decrease of the distance between the two electrodes, leads to a decrease of the DIV changes vs Temperature. These results are compared to the measurements performed when the samples were uniformly heated. The use of gas in power packaging seems to be promising but it still needs a better understanding of the mechanisms involved
Dispelling the Myths Behind First-author Citation Counts
Full text linkWe conducted a full-scale evaluative citation analysis study of scholars in the XML research field to explore just how different from each other author rankings resulting from different citation counting methods actually are, and to demonstrate the capability of emerging data and tools on the Web in supporting more realistic citation counting methods. Our results contest some common arguments for the continued
use of first-author citation counts in the evaluation of scholars, such as high correlations between author rankings by first-author citation counts and other citation
counting methods, and high costs of using more realistic citation counting methods that are not well-supported by the ISI databases. It is argued that increasingly available digital full text research papers make it possible for citation analysis studies to go beyond what the ISI databases have directly supported and to employ more
sophisticated methods
Study of the manufacturing process of complex ferrimagnetic cores by isostatic forming : application to intercellular transformers
No full textLes besoins actuels en électronique de puissance concernent principalement la fiabilité et l'augmentation de la densité de puissance. Dans les deux cas, ce qu'il est convenu d'appeler l'intégration de puissance constitue une solution. Les problèmes de fiabilité peuvent être résolus par la diminution du nombre d'interconnexions et par la maitrise complète de la réalisation des convertisseurs et, ceux liés à la densité de puissance, par la réduction des dimensions et par la mutualisation d'un certain nombre de fonctions: intégration des passifs, substrats fonctionnalisés, composants de couplage... Ceci passe nécessairement par une stratégie de choix de structures de conversion permettant de répondre à ces questions. Les convertisseurs multi-niveaux, multicellulaires entrelacés sont un exemple de structure permettant de réduire la taille et le volume des composants magnétiques. Le point clé de ces structures réside dans le partage des flux magnétiques entre les différentes phases du convertisseur via un transformateur intercellulaire (ICT). Ce type de composant permet l'entrelacement de nombreuses cellules de commutation. Il consiste en un noyau magnétique de forme spécifique et souvent complexe. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse concernent le développement de technologies permettant la réalisation de composants magnétiques de type ICT en vue de leur intégration. Les principales propriétés du matériau (magnétiques et diélectriques) nécessaires à la réalisation de ce type de composant nous ont conduits à choisir une ferrite de type Ni0,30Zn0,57Cu0,15Fe2O4 susceptible de s'adapter tant aux fréquences de fonctionnement qu'à la gamme de puissance envisagée. Différents procédés de mise en œuvre (et les paramètres qui leur sont associés) ont été étudiés. Il s'agit soit du formage, via l'utilisation de moules souples ou encore du pressage isostatique, et de l'usinage soit à cru soit après frittage. Concernant l'usinage, deux systèmes distincts nous ont permis la mise en forme des noyaux complexes soit en 2 D soit en 3D. Les résultats de cette démarche tant en termes d'objet que de propriétés du composant, sont présentés. L'influence des différents paramètres utilisés lors de la réalisation (température de frittage, pression,...) sur les caractéristiques finales est aussi étudiée.Current issues in power electronics are mainly related to the reliability and the increase in the power density. In both cases, what is called power integration is proposed as the solution. Reliability issues can be solved by reducing the number of interconnections and by the full design and elaboration of converters; and those related to the power density are addressed by reducing the dimensions and the mutualization of a number of functions: integration of passive components, embedded substrates, coupling components... This necessarily involves the choice of a strategy for converting structures. Multilevel converters, interleaved multicellular converters are an example of structures that reduce the size and volume of magnetic components. The key point of these structures is the sharing of magnetic flux between the different phases of the converter via an intercellular transformer (ICT). This type of component allows interleaving many switching cells. It consists of a magnetic core of specific, often complex and shape. The work done in this thesis concerns the development of technologies for the realization of ICT magnetic components for their integration. The main material properties (magnetic and dielectric) necessary for the implementation of this type of component oriented us towards a ferrite Ni0,30Zn0,57Cu0,15Fe2O4 able to work at the proposed operating frequencies and power range. Various elaboration processes (and the parameters associated with them) were studied. It is either forming, through the use of flexible molds or by isostatic pressing, and machining either raw or after sintering. By machining, two separate systems have enabled us obtaining complex magnetic cores either in 2D or in 3D. The results of this approach in terms of object and component properties are presented. The influence of various parameters used during the production (sintering temperature, pressure,...) on the final characteristics is also investigated
Contribution of infrared thermography to the failure analysis of electronic components and systems
No full textDepuis les années 1960, l'industrie du semi-conducteur s'est alignée sur la loi de Moore qui prévoit le doublement de la densité d'intégration des transistors par unité de volume tous les deux ans. La loi de Moore comporte deux lois empiriques qui décrivent l'évolution de la complexité et de la miniaturisation des composants électroniques, initialement pour accroître la vitesse de calcul des ordinateurs. Cette évolution des composants électroniques amène à des structures plus complexes, notamment des structures 2,5D et 3D où les puces sont empilées ou placées les unes sur les autres, dans un même boîtier. Cette complexité implique de nouvelles difficultés dans l'expertise de ces composants. Parmi les techniques permettant l'analyse des composants électroniques, la thermographie infrarouge (TIR) a été choisie pour mener le travail de thèse car elle montrait un réel potentiel d'analyse du circuit intégré au système électronique, en passant par le contrôle non destructif (CND). La TIR est une technique de mesure du rayonnement infrarouge non destructive et sans contact. Le système du CNES est équipé d'une caméra avec un photo détecteur en antimoniure d'indium qui permet de mesurer le rayonnement infrarouge de longueur d'onde 3-5µm avec une résolution spatiale pouvant aller jusqu'à 3µm. La mesure du rayonnement infrarouge est plus classiquement répandue dans l'industrie pour effectuer du CND, sur des composites ou alliages d'aluminium pour usage aéronautique par exemple. Dans le cadre de la thèse, la TIR est utilisée principalement en 3 modes de fonctionnement pour effectuer de l'analyse de défaillance. : la thermographie synchrone (lock-in thermography), la mesure de température et l'acquisition de phénomène rapide (trigger-delay). La principale difficulté du domaine IR est l'émissivité de surface, souvent très hétérogène pour les composants électroniques. L'application d'un revêtement a démontré son utilité en cas de mesure de température mais également en localisation de défaut, en permettant une localisation plus précise du défaut. Cependant, l'application d'un revêtement peut être invasive. La TIR a démontré ses capacités de caractérisation, notamment via la mesure de température à fort grandissement en effectuant une calibration en émissivité adaptée. En effet, il a été possible d'effectuer une mesure de température au travers d'un substrat silicium, sur des composants dont la taille est de l'ordre de la dizaine de micromètre. Il a également été possible d'établir très rapidement une solution de design debug. [...]Since 1960, the semiconductor industry has followed Moore's law, which predicted that the density of transistors would double every two years. Moore's law consists in two empirical laws describing the complexity and miniaturization of electronic components, with the aim to increase computer speed initially. This evolution led to the creation of more and more complex component, particularly with structures in 2.5D and 3D, where respectively dice are side by side or one on another, all in the same package. This increase in complexity has also led to new challenges in analyzing the of such components. Among all the various failure analysis techniques, the infrared thermography (IRT) has been in the frame of this PhD assignment. IRT is a non destructive and contactless infrared radiation measurement technique. The system used is composed of an InSb sensor that senses wavelength between 3-5µm, with a lateral spatial resolution about 3µm at best. Infrared radiation measurement is classically used for industrial purposes in non-destructive analysis and control of structure and mechanical parts, for example on composite or aluminum parts used in the aviation industry. Within the framework of the PhD, IRT is mainly used for three failure analysis modes on electronic components: Lock-in Thermography (LiT): LiT is an active thermography technique where the device under test (DUT) is electrically activated by a signal synchronized with the image captured by the IR camera. This analysis allows to obtain two information. On a one hand it gives the intensity of the power delivered by the exothermic defect. On the other hand, it provides information about the delay between the emission of the IR radiation by the defect and its perception by the IR camera. Temperature measurement: Temperature measurement requires a very precise calibration in order to convert photons flux into the temperature value. Fast phenomenon acquisition or trigger delay: Trigger delay is an active thermography technique based on time-related sampling of the signal. This technique allows increase artificially the camera sampling frequency in order to analyze fast and repeatable thermal phenomenon. The main difficulty about IR radiation is the surface emissivity, which is most of the time very heterogeneous for electronic components. A coating application has been demonstrated to be useful not only in temperature measurement but also in defect spotting, thanks to the improved localization precision. [...
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