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).
 

Neurones à impulsion pour les communications sans fil

Doctorant : Guillaume MARTHE

Laboratoire INSA : CITI

École doctorale : ED 160 : EEA (Electronique, Electrotechnique, Automatique)

Dans le contexte de l’Internet des Objets, l’un des plus grands défis réside dans la gestion énergétique. Les radios à réveil (Wake-up Radio) permettent aux dispositifs de rester en veille tout en consommant très peu d’énergie, se réveillant uniquement lors de la réception de signaux spécifiques.Dans cette thèse, nous proposons d’utiliser les réseaux de neurones à impulsions (SNNs) comme Wake-up Radio (WuR). Le rôle du réseau de neurones sera de reconnaître la séquence d’activation du noeud concerné dans un flux de bits, afin de le réveiller. Nous présentons tout d’abord les hypothèses et modèles de neurones, de réseau et de signaux utilisés pour notre étude. La première contribution est de montrer la pertinence de ces réseaux. Notre seconde contribution a été l’étude et la proposition du modèle Saturating Leaky Integrate and Fire pour le conception d’une WuR. Dans cette partie, nous proposons d’utiliser un phénomène bio- inspiré appelé Interaction Synaptique afin de produire un filtre temporel dépendant de l’Inter-Spike Timing. Nous étudions les paramètres de ce modèle afin de comprendre comment adapter cette plage d’Inter-Spike Timings. L’originalité de cette contribution est de proposer un nouveau moyen d’utiliser des séquences temporelles dans le domaine de l’analogique. Par la suite, différentes topologies de réseaux de neurones Saturating Leaky Integrate and Fire (SLIF) ont été explorées, notamment une topologie en ligne, en losange et réseau multi-couches, afin de comprendre comment le réseau répond aux séquences d’impulsions. Cette thèse établit ainsi les bases pour des recherches futures sur l’utilisation des réseaux neuromorphiques dans les dispositifs Internet des Objets (IoT) à faible consommation d’énergie, notamment dans les WuR. Les travaux accomplis ouvrent la voie à la conception de réseaux de neurones capables de traiter des signaux temporels complexes tout en maximisant l’efficacité énergétique, répondant ainsi aux exigences des applications IoT.

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.

Contribution à l'étude du comportement des structures renforcées par des armatures en fibres de carbone

Doctorant : Astérios VALOGIANNIS

Laboratoire INSA : GEOMAS

École doctorale : ED162 : Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

Steel corrosion is one of the main causes of mechanical deterioration of reinforced concrete structures during their lifetime. A promising alternative for their reinforcement is the Fiber Reinforced Polymer (FRP) bars. These bars are also being studied in the context of reinforcing the underground structures that will host the radioactive waste produced in France, through related research projects carried out by the French National Agency for Radioactive Waste Management (ANDRA). The research conducted through this PhD thesis contributes to gaining more knowledge about the behavior of these bars by focusing on their interaction with concrete. Four types of carbon FRP (CFRP) bars were selected for this study, which differ, among others, in their surface treatment as follows: ribbed, sand-coated, smooth and twisted bars. Conventional steel bar is also used for comparison purposes. Steel-reinforced and CFRP-reinforced cubic concrete samples with 20 cm on each side are tested in pull-out loading to evaluate and quantify the concrete/bar bond behavior. Each CFRP bar exhibits a different bond performance attributed mainly to the composition and geometry of their outer surface, with ribbed bar presenting the highest bond strength among CFRP bars. Some of the CFRP-reinforced samples are also subjected to partial pull- out loading, while others remain unloaded. Cylindrical samples of 0.6-2.5cm thickness and 4.2cm in diameter obtained by core drilling from the CFRP-reinforced samples are studied using Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive Spectroscopy, indentation and push-out tests. The objective is to understand the interface behavior and its failure mechanisms. One of the notable results is the poor concrete-carbon fibers bond and the good concrete-polymer bond. Bond strength values obtained from pull-out tests with CFRP bars are converted to anchorage length in beams. This additionally requires the determination of parameters resulting from the beams design. A steel- reinforced concrete beam is also studied for comparison purposes.

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.

Intégration de centres colorés en nanophotonique silicium : contrôle de la localisation des émetteurs et ingénierie d’émission spontanée

Doctorante : Hugo QUARD

Laboratoire INSA : INL
École doctorale : EDA160 : EEA (Électronique, Électrotechnique, Automatique)

Depuis des décennies, chercheurs et ingénieurs explorent l'intégration de sources lumineuses efficaces dans la plateforme en silicium. Récemment, les centres colorés dans le silicium ont émergé comme candidats prometteurs pour ces sources lumineuses dans les bandes du proche infrarouge et des télécommunications. Isolés, ces défauts agissent comme des sources de photons uniques, ouvrant la voie à l'intégration de dispositifs photoniques quantiques avec les plateformes électroniques en silicium. Cependant, quelques verrous persistent : (i) les processus actuels pour créer ces défauts sont complexes et nécessitent généralement des étapes d'implantation, et (ii) le contrôle de la direction et de la polarisation de la lumière émise par les centres colorés reste difficile. Dans ce travail, nous abordons le premier verrou en démontrant qu’un recuit laser femtoseconde permet d’obtenir des centres colorés dans des substrats commerciaux en silicium sur isolant sans implantation. Cela permet de générer des centres W dans une zone restreinte de taille inférieure à la section transversale du spot laser. Le deuxième verrou est traité en couplant les centres colorés avec des structures photoniques en silicium. Nous avons amélioré la directivité de l'émission des centres G en les intégrant dans des résonateurs de Mie en silicium fabriqués par démouillage. Par des simulations FDTD, nous avons estimé une efficacité d'extraction dépassant 60%, et les données expérimentales indiquent que nous pouvons collecter plus de 90% du signal émis dans l'espace libre avec une ouverture numérique standard. Nous avons également démontré par des simulations que l’intégration des centres colorés dans des cristaux photoniques permet d’obtenir des états de polarisation diverses à partir des centres émettant initialement une onde polarisée linéairement. Des cristaux photoniques présentant les modes optiques d’intérêt ont été réalisés expérimentalement. L'ensemble de ces résultats montre une avancée dans le contrôle de la localisation des centres créés et l’ingénierie de leur émission spontanée

Écoulement intraventriculaire en échocardiographie Doppler avec réseaux de neurones fondés sur la physique

Doctorant : Hang Jung LING

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

Les maladies cardiovasculaires sont les principales causes de décès dans le monde, causant plus de 20 millions de décès chaque année. L'évaluation de la santé cardiaque est cruciale pour prévenir ces maladies. Pour cela, l'échocardiographie est couramment utilisée en routine clinique à cause de sa portabilité et de son coût abordable. Les examens échocardiographiques évaluent la fonction systolique et diastolique du cœur, mais les mesures de la fonction diastolique peuvent parfois donner des résultats de diagnostic discordants. Explorer des biomarqueurs alternatifs, comme le flux sanguin intracardiaque, pourrait améliorer la précision de la quantification de la fonction diastolique. La cartographie du flux vectoriel intraventriculaire ou “intraventricular vector flow mapping” (iVFM) est une technique qui reconstruit le flux sanguin vectoriel à partir des champs scalaires fournis par l'échocardiographie Doppler couleur, mais elle nécessite des étapes de prétraitement chronophages. Dans cette thèse, nous avons utilisé l'apprentissage profond (DL) pour automatiser ces étapes, y compris la segmentation du ventricule gauche et la correction des artefacts de repliement de phase ou l'aliasing. Nous avons également développé des méthodes basées sur les réseaux de neurones fondés sur la physique pour reconstruire l’écoulement vectoriel intraventriculaire, montrant que ces approches peuvent améliorer l'efficacité et la précision de l'iVFM. L'automatisation complète du pipeline d'iVFM à l'aide de réseaux de neurones, de la segmentation à la reconstruction du flux vectoriel, améliore la fiabilité de l'iVFM. La prochaine étape serait d'appliquer cet outil en milieu clinique pour explorer et extraire de nouveaux biomarqueurs basés sur le flux, ce qui pourrait bénéficier à la détection précoce des maladies cardiovasculaires.

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.