Soutenance mémoire
Dispositifs de puissance à IGBT
Un module électronique de puissance est constitué d’un empilement de couches de différents matériaux . Cette structure permet d’assurer à la fois des fonctions de maintien mécanique, d’isolation électrique et de transfert thermique [Cia02]. Mis à part les composants discrets (TO220, D2Pack, …), deux types de package peuvent se rencontrer communément pour les composants de puissance : les boitiers sous forme de modules de puissance et les boitiers pressés. Les premiers reposent sur une technologie mature et présentent un avantage considérable grâce à leur faible coût. Les puces sont brasées sur un substrat DBC (Direct Bonded Copper) composé d’un substrat céramique (Al2O3 ou AlN) métallisé au cuivre sur chacune de ses faces. Ce substrat est lui-même brasé sur une semelle de cuivre ou d’AlSiC. En excluant celles au plomb, les brasures les plus utilisées sont constituées d’étain, d’argent et de cuivre (SnAgCu). A noter que nous rencontrons de plus en plus de nouvelles technologies d’attaches comme le frittage de microparticules d’argent. La connectique entre les puces et les pistes de cuivre du DBC est traditionnellement assurée par des fils de bonding en aluminium. Ces fils d’aluminium sont soudés par ultrason sur les métallisations aluminium des puces.
Par ailleurs, les modules pressés (press-pack) présentent un avantage dans la mise en court-circuit naturelle à la destruction, un refroidissement double face, la mise en série (empilage) et une bonne résistance à la fatigue thermique ainsi que l’absence d’explosion à la destruction. Toutefois, leur mise en œuvre (serrage) ainsi que leur coût constituent une limitation.
Les interrupteurs de puissance sont généralement choisis pour leurs modes de commande, leurs tensions de blocage, leurs courants à faire transiter et leurs fréquences de commutation,…. Ainsi une classification des types d’interrupteurs répartis selon leur gamme de puissance et leur fréquence d’utilisation . Il apparait que les modules IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) sont utilisés généralement dans des applications moyennes fréquences et moyennes puissances. Afin d’obtenir les calibres de courant souhaités, il est nécessaire de mettre en parallèle des puces d’IGBT en les reliant entre elles avec des fils de bonding. Ainsi, les modules IGBT couvrent une large gamme allant d’une dizaine à quelques milliers d’ampères et de 300 à 6.5 kV pour répondre aux nombreuses attentes dans les domaines de fortes et de moyennes puissances.
Sous diverses formes, on retrouve ainsi le module IGBT dans la commande industrielle de moteurs, les alimentations ininterruptibles (UPS), la traction électrique, la gestion de source d’énergie éolienne ou solaire, les véhicules électriques, les ascenseurs, les appareils domestiques, … . La tenue en tension ne semble guère pouvoir aller bien au-delà tant les perspectives offertes par la technologie du silicium semblent limitées. Dans cette partie, nous présentons une brève description du composant de puissance IGBT, sa structure interne, ses différentes technologies ainsi que son fonctionnement sont également abordés.
Le composant IGBT
Les IGBT sont nés de la recherche de l’amélioration de l’efficacité à haute tension des composants MOS. La solution est venue de l’ajout à la conduction par porteurs majoritaires, d’une conduction par porteurs minoritaires et de la modulation de la résistivité de la zone de tenue en tension du composant. Le composant obtenu, l’IGBT, présente une chute de tension plus faible que celle d’un MOS pour des dispositifs, moyennes et hautes tensions. Ainsi, l’IGBT est un composant mixte dont la structure principale est un transistor bipolaire de puissance (Bipolar Junction Transistor ou BJT) commandé par un transistor MOSFET (Metal Oxide Semi conducteur Field Effect Transistor). Le transistor MOS est commandé par la tension de grille qui lui est appliquée. De plus, l’IGBT présente de faibles chutes de tension à l’état passant liées à sa conduction bipolaire. L’IGBT associe donc partiellement les avantages d’une commande ετS (rapidité en commutation, simplicité de commande « isolée », …) et les performances en conduction des structures bipolaires (faible pertes en conduction, modulation de conductivité, …), tout en réduisant les limitations des deux technologies. Ces caractéristiques font qu’aujourd’hui l’IGBT est devenu le composant majeur de l’électronique de puissance car il supplante avec avantage les composants cités précédemment, dans leurs limites d’utilisation et les relaye dans les domaines de forte tension (gamme du kilovolts) même si il a cependant l’inconvénient d’être plus lent que le MOSFET. Cette structure proposée par [Bal79] a fait l’objet de nombreux travaux afin d’améliorer ses performances. L’IGBT a été introduit commercialement à partir de 1λ83, et est aujourd’hui fabriqué par de nombreux industriels (Eupec, Mitsubishi Electrics, Toshiba, Siemens,…) de manière discrète ou sous forme de modules. Les modules IGBT couvrent une large gamme en tension de 600 V à 6500 V, pour des capacités en courant allant jusqu’à 1200 A. Dans la suite, nous nous intéressons aux IGBTs à base de type N, les plus répandus, en précisant que les mêmes principes régissent les IGBTs à base de type P.
Structure interne de l’IGBT
I’IGBT ou transistor bipolaire à grille isolée est constitué de quatre couches semi-conductrices alternées (P+, N-, P+, N+) créées sur le même cristal de silicium. Pour des applications proprement de puissance, la structure de la cellule élémentaire de l’IGBT présentée en figure (I.3a) est très proche de celle d’un VDMOS (Vertical Double Diffused MOS). δ’IGBT est un composant dont la structure dérive de celle d’un transistor ετS de puissance par substitution d’un émetteur P+ à la région σ+ de drain. Ainsi, l’IGBT est constitué sur la face avant d’un collecteur (cathode) formé par une large zone P+ assez fortement dopée. Cette zone comprend de part et d’autre, deux zones de diffusion N+ fines et fortement dopées qui constituent les sources du MOS à canal Horizontal (pour des IGBT planars). La zone du canal est de type P faiblement dopée afin d’assurer une tension de seuil raisonnable à la structure. En dessous de ces îlots de cathode s’étend une épaisse zone σ- qui a pour but d’assurer la tenue en tension du composant en permettant aux zones de charge d’espace (ZCE) des jonctions J1 et J2 de s’étendre. Puis vient une zone P+ fortement dopée dont le rôle est d’injecter des porteurs minoritaires dans la zone σafin de réduire sa résistivité lors de la conduction. Cette région, permet de diminuer la chute de tension à l’état passant de la structure [BAδλ6].
Les technologies de l’IGBT
Il existe sur le marché plusieurs technologies. Celles-ci présentent différents compromis conduction/commutation [Ibra09]. En effet, la nécessité de diminuer la chute de tension à l’état passant implique une augmentation de la modulation de conductivité et donc une hausse de concentration des porteurs dans la région de base. Cela se traduit en contrepartie par une diminution des performances dynamiques.
Technologie IGBT PT
Le transistor IGBT PT (Punch Through) est caractérisé par la présence d’une couche tampon (buffer) N+ intercalée entre le collecteur P+ et la zone de base N- voir figure (I.5a). L’introduction de cette couche tampon permet de réduire considérablement l’épaisseur de la base N- entrainant des chutes de tension à l’état passant plus faibles, pour des tenues en tension équivalentes. Les IGBT PT sont donc asymétriques en tension et le profil de champ est celui donné en figure [I.5b] [Per03].
Pour conserver des pertes en commutation faibles, la durée de vie des porteurs dans la zone tampon doit être réduite par irradiations [Mag07]. Le développement des techniques de contrôle de la durée de vie des porteurs reste le problème majeur de l’amélioration des performances des transistors IGBT PT. Cette technologie PT apparue en 1985 est essentiellement adaptée pour des dispositifs de la gamme 600 V1200 V. Pour des tensions supérieures l’épaisseur de la couche N− n’est plus compatible avec le coût et la maîtrise de la technique d’épitaxie [δef05a]. Cette technologie présente néanmoins l’inconvénient de composants à coefficients de température négatifs.
|
Table des matières
Introduction Générale
I. Dispositifs de puissance à IGBT
1. Le composant IGBT
2. Structure interne de l’IGBT
3. δes technologies de l’IGBT
3.1. Technologie IGBT PT
3.2. Technologie IGBT NPT
3.3. Les technologies IGBT FS, LPT, SPT, IEGT, CSTBT et HIGT
3.4. Les technologies à grille en tranchée (Trench Gate)
II. Mécanismes de dégradation : puce IGBT et voisinage immédiat
1. Puce
1.1. Phénomène de latch-up dans un IGBT
1.2. δ’emballement thermique
2. δ’oxyde de grille
2.1. δes charges dans l’oxyde
2.2. δes claquages de l’IGBT
2.3. εodélisation de mécanismes de dégradation de l’oxyde de grille
2.4. εodes de défaillance de l’IGBT en condition de court-circuit
3. εétallisation d’émetteur
3.1. Plasticité par mouvement de dislocation
3.2. Plasticité par diffusion
III. Caractérisations électrothermiques de l’IGBT à l’aide de micro-sections 26
1. Approche par micro section des composants de puissance
2. Caractérisation de distributions de courant dans les composants de puissance
3. Techniques de caractérisations thermiques
3.1. La thermographie infrarouge
3.2. Spectrocopie Raman
IV. Modélisation électrothermique de composants de puissance
1. Principe de la simulation électrothermique
1.1. Méthodes de relaxation
1.2. Méthodes directes
2. Stratégie de modélisation
2.1. Aspect thermique
2.2. Aspects électriques
2.3. Couplage électro-thermique
V. Conclusion
