Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Dans le secteur électronique les matériaux polymères se retrouvent dans les dispositifs d'interconnexion électroniques, les commutateurs optoélectroniques, les circuits de carte électronique, les batteries, les condensateurs, pour l’isolation électrique, le revêtement, l’encapsulation électronique, etc. Afin d’analyser leurs propriétés isolantes, la spectroscopie diélectrique est l’outil d’analyse fréquentielle le plus fiable pour mettre en évidence les phénomènes de relaxations et conductions qui se passent à l'échelle microscopique dans un polymère isolant. Cet article traite la relation structure/propriété des polymères en se basant sur des analyses expérimentales. Les résultats sont analysés et quantitativement modélisés en utilisant des modèles appliqués aux matériaux diélectriques.
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The use of polymer materials is growing in the electronics industry, where they are now found in electronic interconnection devices, optoelectronic switches, electronic circuit boards, batteries, capacitors, electrical insulation, coatings, electronic encapsulation, etc. To analyse their insulating properties, dielectric spectroscopy is one of the most reliable frequency analysis tools. It highlights the conduction and relaxations phenomena that occur at the microscopic level in an insulating polymer. This article discusses the structure/property relationship of polymers based on experimental analysis. The results are analysed and quantitatively modelled using models applied to dielectric materials.
Auteur(s)
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Abdelkader KAHOULI : Docteur en physique et science des matériaux - Chercheur contractuel rattaché au laboratoire de cristallographie et science des matériaux (UMR 6508), Université de Caen, Caen, France - Chercheur associé au laboratoire matériaux organisation et propriétés (LMOP), Université de Tunis El Manar, Tunis, Tunisie
INTRODUCTION
Depuis le début du XX e siècle, des efforts considérables sont effectués pour mettre au point des techniques de caractérisation de toutes sortes de mobilités au sein des matériaux polymères allant d’une échelle de l’unité structurale jusqu’à la taille d’une sphérolite. En effet, les variations des propriétés électriques des polymères sont la réponse, à l’échelle macroscopique, des mouvements intervenant à l’échelle moléculaire, impliquant toute ou une partie de la molécule.
Dans l’étude d’un matériau polymère isolant, une analyse des propriétés -diélectriques, et plus particulièrement l’étude de la mobilité moléculaire induite par les phénomènes de relaxations et la dynamique des charges déclenchée par les mécanismes de conductions, peut s’avérer être un outil intéressant pour apprécier l’état du matériau et quantifier son évolution sous l’influence de plusieurs contraintes physiques.
Outre des études fondamentales du comportement diélectrique et électrique des polymères, la spectroscopie diélectrique fournit des informations pertinentes aux secteurs utilisant le polymère comme un matériau diélectrique. Ainsi, des domaines d’applications aussi variés que le génie électrique, l’électronique de puissance, la microélectronique, la nanoélectronique, la biologie et la pharmaceutique sont concernés. Cette technique expérimentale permet de donner des informations pratiques et directes se rapportant :
-
aux propriétés d’isolation électrique de polymères amorphes qui sont -utilisées traditionnellement pour l’isolation des câbles dans les gammes de -fréquence du mHz au MHz ainsi que pour les couches de passivation de dispositifs électroniques modernes tels que les micropuces ;
-
à la fiabilité des polymères en présence de l’eau pour des applications d’isolations électriques utilisées dans les transformateurs et les alternateurs ;
-
à un suivi de l’état de dégradation des isolants à base de polymères utilisés dans les transformateurs suite à un processus de vieillissement ou de contraintes électriques, mécaniques, thermiques ou thermomécaniques ;
-
aux performances électriques d’un polymère avant son intégration dans un dispositif électronique, notamment quand il est utilisé comme un matériau à faible permittivité dans l’application de l’intégration à très grande échelle (ou VLSI pour Very-Large-Scale Integration) ;
-
à l’état structural du polymère avant et après sa transition vitreuse.
Cet article présente une étude fondamentale en corrélation avec des analyses expérimentales par la technique de la spectroscopie diélectrique (spectromètre d’impédance) afin de déverrouiller la relation propriété/structure des polymères via la compréhension des différents mécanismes de relaxation et de conduction.
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Analyse spectrale
En anglais
2. Techniques de mesures
2.1 Cellule de mesure
Dans certains cas, les lignes de champs électriques ne sont pas uniformes au bord de l’échantillon (matériau diélectrique). La courbure de ces lignes augmente avec l’épaisseur du diélectrique pour une épaisseur constante des électrodes métalliques tandis qu’elle décroît avec la diminution de l’épaisseur des électrodes métalliques pour une épaisseur constante du diélectrique. Dans le cas où cette situation se présente, on mesure alors une capacité spécifique qui est la somme de la capacité réelle du matériau et la capacité des effets de bords (appelée capacité de bord, C edge).
La capacité de bord est une capacité supplémentaire causée par les lignes du champ électrique parasite non uniforme au bord de la capacité de l’échantillon. Il est donc nécessaire de soustraire la capacité de bord de la capacité mesurée pour avoir la valeur réelle de la capacité cherchée de l’échantillon. La quantité de C edge/ε’C 0 doit être utilisée dans le calcul réel de la capacité de l’échantillon pour obtenir l’erreur relative de la partie réelle de la permittivité provoquée par les effets de bord dans la mesure des propriétés diélectriques.
Dans les autres cas où les électrodes métalliques présentent un diamètre plus petit que l’échantillon (figure 11 a ), l’utilisation d’un anneau de garde permet à la fois de résoudre le problème des lignes de champs et limite le courant surfacique généré par les impuretés ou dû à la présence d’humidité en surface (cas des matériaux hydrophiles comme la famille des résines époxydes). Pour effectuer une mesure contrôlée et afin d’éviter toutes sortes de bruits et des effets qui peuvent perturber les mesures diélectriques, l’ensemble de la figure 11 doit être mis dans une cage de Faraday qui peut fonctionner sous une atmosphère contrôlée (vide, azote, argon, oxygène). La figure 12 montre la cellule de mesure utilisée pour effectuer des analyses diélectriques contrôlées.
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Techniques de mesures
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - RUNT (J.P.), FITZGERALD (J.J.) - Dielectric spectroscopy of polymeric materials : fundamentals and applications. - American Chemical Society, Washington, DC (1997).
-
(2) - WILLIAMS (G.), THOMAS (D.K.) - Phenomenological and molecular theories of dielectric and electrical relaxation of materials. - Novocontrol (1998).
-
(3) - WILLIAMS (G.) - Dielectric newsletter. - -Novocontrol, mars 1994.
-
(4) - HAVRILIAK (S.), NEGAMI (S.) - A complex plane analysis of α-dispersion in some polymer systems. - Journal of Polymer Science : Part C, 14, p. 99-117 (1966).
-
(5) - FRÖHLICH (H.) - Theory of dielectrics : dielectric constant and dielectric loss. - 2nd edition, Oxford Science Publications (1958).
-
(6) - JONSCHER (A.K.) - Dielectric relaxation in solids. - ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Matériaux polymères pour l’optique. Propriétés et appli-cations.
-
Polymères conjugués et polymères conducteurs électroniques.
ANNEXES
Kahouli Abdelkader https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00627040/document
NOVOCONTROL BDS 20 http://www.novocontrol.de/html/turn_key_bds.htm
NOVOCONTROL http://www.novocontrol.de/
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International Conference on Broadband Dielectric Spectroscopy and its Applications a lieu tous les deux ans dans un pays (années paires). http://bds2016.pi.ipcf.cnr.it/index.php
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