High-performance cooling of power semiconductor devices embedded in a printed circuit board

Doctorant : Ahmed Sabry Eltaher AHMED

Laboratoire INSA : AMPERE

École doctorale : ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Energétique, Génie civil, Acoustique)

L'intégration de dispositifs semi-conducteurs de puissance dans un circuit imprimé (PCB) est une solution prometteuse pour réduire les éléments parasites des circuits, simplifier le packaging des dispositifs et réduire les coûts. Cependant, la réduction continue de la taille des puces semi-conductrices, combinée à la faible conductivité thermique des couches diélectriques des PCB nécessitent des solutions de gestion thermique plus efficaces.
Dans ce projet de recherche, deux solutions de gestion thermique sont étudiées. Tout d'abord, un dissipateur de chaleur en graphite avec une haute conductivité thermique (1300 W/(m.K) dans le plan, et 15 W/(m.K) hors plan) est intégré dans le PCB. Deuxièmement, une solution d'extraction de chaleur basée sur la technique de refroidissement par jet d'eau impactant est mise en œuvre pour collecter la chaleur à la surface du PCB. Pour la solution de dissipation de chaleur, les valeurs des résistances thermiques jonction-environnement et jonction-boîtier (RthJA et RthJC, respectivement), des variantes de PCB avec des diodes et des puces MOSFET intégrées, sont réduites jusqu'à 38 % pour RthJA et 30 % pour RthJC, d'après les mesures. Pour la solution d'extraction de chaleur, le refroidisseur à jet d'eau (JIC) présenté réduit expérimentalement RthJA de 33 % par rapport à une plaque froide conventionnelle. Le coefficient de transfert de chaleur effectif (HTC) du JIC est calculé par simulations et s'élève à environ 43 kW/(m².K) avec une chute de pression de 9,7 kPa. Cette performance permet d'atteindre une densité de puissance de 865 W/cm² sans dépasser la limite de température de jonction de 175°C. Augmenter la conductivité thermique de la couche isolante par un facteur de 10 permettra d'atteindre 993 W/cm² (très proche de l'objectif de 1000 W/cm²).
 

Capteurs multiphysiques miniaturisés et intégrés pour contrôles et analyses structures

Doctorant : Eliott BRUN

Laboratoire INSA : LGEF

École doctorale : ED160 : EEA (Electronique, Electrotechnique, Automatique)

Les méthodes actuelles de contrôle non destructif (CND) se basent majoritairement sur l'utilisation de capteurs manuels pour détecter des défauts tels que les fissures et les porosités, notamment lors des phases de production et de maintenance. Toutefois, ces techniques sont souvent limitées par le coût, la taille des équipements, et la nécessité d'une intervention humaine, ce qui les rend inadaptées à certaines applications industrielles où l'accès est difficile ou dangereux. Cette thèse explore la miniaturisation des capteurs CND à ultrasons et à courants de Foucault pour répondre aux besoins de surveillance en continu des structures, une approche intégrée dans le concept de suivi de santé des structures (SHM). L'objectif est de développer des capteurs légers, intégrables directement dans les structures, capables de surveiller en temps réel leur état tout en minimisant les coûts et les risques associés aux méthodes conventionnelles. Les travaux se concentrent sur deux axes principaux : la miniaturisation des capteurs à courants de Foucault, via l'utilisation de bobines plates imprimées ou sérigraphiées, et la conception de capteurs ultrasoniques miniaturisés basés sur des composites piézoélectriques. Pour les capteurs à courants de Foucault, l'accent est mis sur l'optimisation du facteur de qualité des bobines pour maximiser leur efficacité. Les capteurs ultrasoniques, quant à eux, sont développés à partir de films composites polymère-piézoélectriques, optimisés pour fonctionner à haute température. Les résultats démontrent que ces capteurs miniaturisés offrent des performances prometteuses en termes de détection des défauts, de mesures d'épaisseur et de durabilité en environnements extrêmes. Cette thèse pose ainsi les bases pour une nouvelle génération de capteurs CND miniaturisés, ouvrant la voie à une adoption plus large du SHM dans les secteurs tels que l'aéronautique, le ferroviaire, et l'énergie. Les perspectives de développement sont nombreuses, avec des applications potentielles dans diverses industries critiques.

Characterization and modelling of phase transformations and microstructures of cold rolled dual phase steels after heat treatment

Doctorant : Sébastien DAGUE

Laboratoire INSA : MATEIS

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

L’objectif de cette thèse était de contribuer au développement et à la compréhension des phénomènes physiques pilotant les évolutions microstructurales d’aciers Dual-Phase, principalement lors des phases de refroidissement. Dans un souci d’utilisation sur des lignes de production industrielles, des outils numériques à champ moyen à base physique ont été développés, ceux-ci étant utilisables pour une large gamme de compositions chimiques et de paramètres du cycle thermique. Une calibration des modèles sur des aciers ternaires issus de coulées de laboratoire a été effectuée avant leur validation sur deux nuances industrielles.
Un modèle, développé dans une thèse antérieure, pour la transformation de phase entre la ferrite et l’austénite ayant lieu lors de la phase de chauffage et maintien isotherme a été modifié avec pour objectif de le rendre plus robuste d’un point de vue numérique.
Un autre modèle visant à simuler la transformation de l’austénite en ferrite, lors de refroidissements lents continus, a été développé. Ce modèle, calibré sur des alliages ternaires Fe-C-Mn, est basé sur une description de la croissance de ferrite faisant intervenir des lois de germination et croissance. Dans un but de rapidité de calcul, ce modèle a été implémenté en langage VBA (Excel). Il a été testé sur différentes compositions d’alliages et il a été possible de trouver des lois de prédiction pour les paramètres du modèle, en fonction de la composition en manganèse de l’alliage et des conditions de refroidissement.
Pour finir, la formation de bainite en condition isotherme à 460°C et 500 °C a été étudiée en DRX in situ sur la ligne DiffAbs du Synchrotron SOLEIL. Le maintien de l’austénite a été mis en évidence lors d’un palier isotherme à 460°C ou à 500°C, pour deux alliages différents. Cette austénite peut ensuite être transformée en martensite lors du refroidissement rapide final, modifiant alors les caractéristiques mécaniques de l’alliage.

Optimization of hybrid aerated vertical/horizontal flow treatment wetland

Doctorante : Caroline MIYAZAKI

Laboratoire INSA : INRAE

École doctorale : ED206 Chimie de Lyon (Chimie, Procédés, Environnement)
 

The combination of stricter local regulations and the need for higher capacity plants has prompted companies in the wetland treatment sector to prioritize research and development initiatives aimed at enhancing total nitrogen (TN) removal and minimizing system footprints. In response to these challenges, it was created the Rhizosph'air system to be resilient, compact, and robust, with a capacity to serve communities of 2,000 to 10,000 PE. This thesis contributes to the optimization of total nitrogen (TN) removal while addressing operational challenges related to environmental protection and wastewater reuse. Chapter 2 provides an overview of key topics related to the Rhizosph'air system, including nature-based solutions (NbS) and aerated treatment wetlands (TW). It identifies key research areas for improvement, including oxygen transfer and nitrogen dynamics, to enhance TN removal. Chapter 3 is dedicated to the analysis of the impact of aeration strategies on system hydrodynamics. To this purpose, tracer tests have been employed to assess both internal and outlet responses. Hydraulic parameters and modeling provided valuable insights into the system's behavior. Chapter 4 examines a range of experimental conditions, demonstrating that inflow-based aeration strategies promote equilibrium between aerobic and anoxic environments, thereby optimizing TN removal. Furthermore, the strategy suggests using the primary filter for generating nitrates during aeration and allowing denitrifying bacteria to consume them during non-aeration periods and batch-hour. The utilization of organic carbon from raw wastewater is also a key aspect of this strategy. Finally, Chapter 5 examines the proposed aeration strategy, its limitations, and the resilience of the hybrid system. It also assesses the applicability of the N-k-C* model and investigates the potential for real-time aeration control using online sensors, including bending points and model predictions. This research advances the understanding of aeration processes and TN removal, offering innovative strategies for improving wetland treatment performance in small communities

Characterization of plastic strain localization in polycrystalline materials by means of 3D X-ray diffraction imaging techniques

Doctorant : Zheheng LIU

Laboratoire INSA : MATEIS

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

This thesis is part of the ANR 3DiPolyPlast project devoted to an in-depth study of the mechanisms leading to plastic strain localization in pure metals. 2D surface observations, 3D volume characterization, and numerical simulations are carried out in three simultaneous PhD projects. This thesis focuses on 3D characterization of strain localization using a combination of Topo-Tomography (TT) and Diffraction Contrast Tomography (DCT) - two synchrotron radiation near-field imaging techniques allowing for
1 micron spatial and 0.02-degree angular resolution. Two material systems have been studied: Ti-7Al alloy and pure Ni. In both cases the 6D algorithm is used to reconstruct the orientation field during initial stages of plastic deformation, which in turn is analysed for signatures of strain localization. Both the data acquisition scheme for TT and the 6D / 5D reconstruction algorithms for DCT and TT scans have been optimized. Theoretical analysis for the TT scan is performed to explore the limits of its reconstruction capacities and the methods to enhance them. Simulated diffraction data are used to study joint reconstructions of DCT and TT scans, illustrating possibilities and limitations of the optimized reconstruction framework. Contrary to Ti7Al, exhibiting clearly resolvable orientation contrasts in vicinity of slip bands, the diffraction data from pure Ni could not reveal slip bands, probably due to the weak and diffuse character of slip in this pure material. However, distinct structures in the orientation field were observed in directions perpendicular to the primary slip plane.

Développement d'encres fonctionnelles pour l'in-Mold Electronicc

Doctorant : Thomas GUÉRIN

Laboratoire INSA : AMPERE

École doctorale : ED160 : EEA (Electronique, Electrotechnique, Automatique)

Cette thèse explore le domaine émergent de la plastronique 3D, qui combine l’électronique et la plasturgie pour intégrer des circuits électroniques sur des substrats 3D en polymère. Le travail se concentre sur le développement d’encres conductrices pour le procédé In-Mold Electronics (IME), une technique prometteuse pour la production en grand volume de dispositifs plastroniques, notamment pour les interfaces homme-machine.

Le processus IME comprend plusieurs étapes : l’impression de pistes conductrices sur un film mince de polycarbonate à l’aide d’encre conductrice, le transfert des composants électroniques sur le film et leur connexion au circuit par collage, le thermoformage du film en 3D et le surmoulage 3D par injection de thermoplastique.

La thèse étudie différentes formulations d’encres conductrices, en se concentrant sur celles composées d’une matrice polymérique organique contenant des charges métalliques micrométriques, avec l’argent comme conducteur électrique. Des encres à base de matériaux organiques issus de la pétrochimie ont été élaborées.

Deux encres se sont démarquées : l’encre N°1 (Vinnol H30/48M) avec une faible résistivité mais peu thermoformable, et l’encre N°2 (TPU 4878 NT1) avec des performances satisfaisantes en résistivité et thermoformage.

En parallèle, des encres conductrices biosourcées ont été formulées, dont l’encre N°3 (PLA-CY-804) avec une faible résistivité et l’encre N°4 (PLA-CY-212) avec de bonnes performances en résistivité et thermoformage. L’encre N°4 se distingue par son respect de l’environnement.

Cependant, des limitations subsistent, notamment des problèmes de délamination et de rupture des pistes conductrices lors du thermoformage, ainsi que le détachement des composants électroniques lors de l’étape d’injection. Ces contraintes géométriques liées au 3D ont été étudiées, mais certaines encres n’ont pas encore été testées jusqu’à la réalisation d’un démonstrateur.

 

Methodology for the robust design of air bleed systems in aeronautics

Doctorant : Gabriel DE CARVALHO FERREIRA SILVA

Laboratoire INSA : AMPERE

École doctorale : ED160 : EEA (Electronique, Electrotechnique, Automatique)

At the design stage, product engineers try to find the perfect balance between the physical parameters of the components and the performance required to properly design a system. It is therefore very important to understand how the choice of physical parameters at the design stage will impact the dynamic behavior of the final product. The problem requires skills in modeling complex multi-physics systems and control theory.
This work investigates the air bleed system of aircraft in collaboration with Liebherr Aerospace Toulouse. Although the structure of each valve and the arrangement of valves in the air bleed system are well known, the parameters that critically impact performance are difficult to identify. Due to the complexity of the model required to reproduce the behavior of valves, its non-linearity and the high degree of coupling between parameters, existing tools quickly show their limits. That is why the aim of the work presented in this thesis is to propose a new methodology that closely address the dynamic aspects of these valves from the design stage and provide a relevant evaluation of their dynamic performance in relation with the design requirements. This new methodology is presented and described from its theoretical concepts to its application to practical problems; it is based on a specific modeling step followed by a numerically solved stability condition, which is formulated as a constrained optimization based on linear matrix inequalities (LMI). The main originality of this work is based on the use of optimization tools to find, not an optimal parameter value, but the admissible ranges for a set of parameters which guarantee the required dynamic behavior.

 

23/10/2024 à 21h (CEST) / 24/10/2024 à 6h (AEDT)

Doctorant : Alexandru TECHERES

Laboratoire INSA : MATEIS

Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

The strengthening of Al alloys via Sc and Zr has been well documented in the literature. The formation of L12 Al3Sc and Al3Zr leads to improvements of mechanical properties through formation of precipitates during artificial ageing. However, the scarcity and cost of Sc have always been a challenge towards adoption on an industrial scale. Nonetheless, new mineral deposits discovered in Australia, together with novel processing methods create the expectation that the price of Sc will become more accessible.
In the context of a circular economy, recycling is the norm. However, this introduces impurities in the recycled material which originate from the imperfect sorting of scraps. The precipitation kinetics of Al3Sc in high purity, controlled composition Al alloys is well understood. However, the precipitation process in the presence of impurities such as Fe and Si has not been studied.
Therefore, the problematic of the current thesis focuses of the effect of impurities on the precipitation kinetics in Al-Sc-Zr during artificial ageing at various temperatures. Previous reports in the literature indicate an accelerating effect of Si and there are limited reports on the effect of Fe.
Using a combinatorial method, in this work we investigate the effect of Si on the precipitation kinetics via samples with a macroscopic composition gradient (also called diffusion couples). Additionally, two sets of samples are investigated with different Fe concentration to comparatively study the effect of Fe. The precipitation kinetics is observed indirectly via small angle x-ray scattering (SAXS) and hardness measurements across the samples with macroscopic composition gradient. Furthermore, advanced characterisation techniques such as Scanning Electron Microscopy, Transmission Electron Microscopy and Atom Probe Tomography are employed to analyse conditions determined as critical during the ageing.
A strong acceleration effect was observed, with increased Si, agreeing with previous reports. However, a saturation effect was identified, which seems to depend on the ageing temperature. This is discussed as a function of Si-vacancy interaction in the precipitation of Al3Sc. Modelling in a Kampmann-Wagner Numerical framework was performed assuming various numbers of heterogenous nucleation sites. To match experimental results, it was required to increase the diffusion coefficient of Sc in the presence of Si, further highlighting the acceleration effect.
It was identified via TEM and APT that the presence of Si leads to smaller mean radius and larger volume fraction of precipitates, which promote larger increments of the mechanical properties. Furthermore, it was observed that Si replaces Al in the structure of the precipitates and that the concentration of Si in the precipitates increases with the concentration in the solid solution.
Finally, it was observed that Fe can replace Al in the precipitates too. Moreover, in the presence of Fe, Si is found in higher concentrations inside the precipitate than when Fe is virtually absent. However, only a minimal difference is observed in terms of hardening between the alloys with different Fe content and only early in the ageing process. Analytical strengthening calculations seem to predict well the hardening in a Fe-free alloy but poorly in the Fe-rich one. This indirectly suggests that Fe has an effect on the precipitation kinetics, but more investigations are needed to fully understand the effect of Fe on precipitation in these alloys.

 

Eco-design and processing of polymer composites towards the shielding of EMI by absorption: Processing, structure, and properties relationship

Doctorante : Emna MASGHOUNI

Laboratoire INSA : IMP

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

 

Multi-criteria decision making for sustainable engineering systems

Doctorant : Majid BASEER

Laboratoire INSA : CETHIL UMR5008

École doctorale : ED162 MEGA

The trend towards sustainability in the building sector is gaining momentum, driven by environmental regulations and societal will. Although new building projects adhere to established standards, they replace only 1-3% of existing buildings annually. Renovation projects often present challenges such as the presence of uncertain data, varied stakeholder’s interests, and complex sustainability factors. To address these limitations, this thesis aims to integrate uncertainty into the decision-making process. The thesis develops a multi-criteria decision-making (MCDM) framework based on sustainability factors encompassing economic, environmental, social, and technical aspects for energy renovation of existing buildings. In contrast to existing deterministic MCDM methods, this framework incorporates uncertain data, yielding more realistic outcomes. A review of established MCDM methods was conducted, followed by a SWOT analysis to select a suitable method for the research problem. The application of MCDM methods in building energy renovations was examined to understand sustainability factors comprehensively. To address uncertainty, probability distribution and Monte Carlo simulation are integrated with MCDM methods. These tools represent uncertainty, simulate decision-making, and handle ambiguity. The novel MCDM framework, probabilistic ELECTRE Tri, has been developed based on the ELECTRE Tri method, probability distribution, revised Simos method, and Monte Carlo simulation. This framework was specifically developed for the classification of scenarios for building energy renovation. It was validated through a case study of a social housing project in Lyon, France. The results from the probabilistic ELECTRE Tri method were compared with those from ELECTRE Tri, underscoring the significance of incorporating uncertainty in decision-making. The developed framework enhances transparency, adaptability, flexibility, and user understanding, benefiting stakeholders. It is generic and can improve the objectivity and consistency of decision- making. Additionally, it advances sustainable building renovation and aligns with global environmental and energy efficiency goals. Keywords: multi-criteria decision making, ELECTRE Tri, uncertainty, probability distribution, energy renovation, sustainability.