Soutenance mémoire
La réduction des émissions de gaz à effet de serre constitue une préoccupation majeure dans les pays développés. À cet effet, divers plans d’actions nationaux ou internationaux, tels que l’interdiction des véhicules thermiques dès 2035, sont en cours de développement pour garantir un avenir énergétique neutre en CO2. L’électrification massive des transports automobile, aéronautique et plus généralement de l’industrie permet de substituer des énergies fortement émettrices de CO2 par une électricité à faible émission de carbone. Garantir une bonne électrification requiert l’utilisation de convertisseurs électriques compacts, fiables, ayant un excellent rendement et pouvant opérer dans des conditions sévères (fort courant, forte tension et haute température). Les convertisseurs sont principalement composés d’un module de puissance et d’un driver. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à l’aspect technologique de ces modules.
La plupart des modules de puissance classiques existant actuellement sur le marché utilisent des fils de bonding pour assurer le contact électrique entre la face avant des composants actifs et les substrats ainsi qu’un joint de brasure (ou un joint d’argent fritté) pour connecter la face arrière. Le substrat le plus répandu est le DBC (Direct Bonded Copper), du fait qu’il offre de bonnes performances électriques, thermiques et mécaniques. Cette technologie de module est parfaitement maîtrisée. Cependant, elle présente plusieurs limitations suite à l’introduction des composants grand gap (SiC et GaN). En effet, avec l’augmentation de la fréquence de commutation, l’influence de l’inductance parasite de la maille de commutation est accentuée, générant des surtensions lors des commutations.
Pour remédier à ces limitations, de nombreux travaux de recherche ont été menés en vue d’améliorer les performances des modules de puissance existants en développant de nouvelles technologies d’assemblage. Une des plus prometteuses semble être la technologie d’enfouissement des composants actifs et passifs au cœur du PCB. Cependant elle est confrontée à des verrous technologiques tels que la gestion de la thermique et la montée en tension.
Cette thèse est consacrée à l’étude d’une technologie d’assemblage intégrant des puces actives au cœur d’un substrat PCB à travers l’utilisation de mousses métalliques pressées comme matériaux d’interconnexion en remplacement des fils de bonding et des joints de brasure.
Evolution des modules classiques vis-à-vis de la fiabilité
Pour remédier aux principales faiblesses des modules de puissance classiques, notamment au niveau des brasures et des fils de bonding, de nombreux travaux ont été menés dans le but d’améliorer la durée de vie des modules de puissance. Dans ce qui suit, nous présenterons quelques nouvelles structures.
Module utilisant des rubans en aluminium
Dans cette technologie de module, les fils de bonding sont remplacés par des rubans en aluminium . Cette configuration permet d’améliorer les performances électriques, du fait de l’élargissement de la surface de contact avec la face avant du composant actif. Cependant, ils sont moins flexibles de part de leurs larges sections (pour la forme standard : une épaisseur de 200 µm et une section de 0,4 mm2). Le procédé de soudure des rubans est identique à celui des fils de bonding, la seule condition est de fournir plus d’énergie ultrason et plus de force, [21].
Pour avoir la même résistance d’interconnexion dans l’assemblage, le nombre de rubans nécessaire est inférieur à celui des fils de bonding. Finalement, ces rubans sont plus résistants aux vibrations externes. Cependant, le remplacement de la section cylindrique par une section rectangulaire réduit la possibilité de tordre les fils sous un angle important. Cette flexibilité est nécessaire pour interconnecter des structures complexes, [22].
Utilisation de fils de bonding en Cu et des joints d’argent frittés comme alternative
Actuellement, presque toutes les puces de puissance sont brasées sur les substrats. De nombreux travaux visent à remplacer ces brasures en vue d’améliorer la fiabilité et d’augmenter les températures de fonctionnement. L’une des solutions les plus prometteuses est le report des puces par le frittage d’une pâtte d’argent, [23]. Pour réduire les contraintes thermomécaniques dans les modules, les fils de bonding en aluminium sont remplacés par des fils en cuivre. Cette solution augmente leur durée de vie mais entraîne un surcoût, étant donné que le cuivre n’adhère pas directement sur la métallisation d’aluminium des puces. Dans ce qui suit, nous décrivons quelques technologies de modules utilisant ces matériaux.
➢ Module de puissance utilisant une couche d’adaptation « Invar »
Dans [24] une nouvelle technologie a été présentée par Sumitomo Electric Industries et AIST Japan pour des connexions à base de fils de cuivre. Elle consiste à ajouter une couche d’adaptation des coefficients de dilatation thermique CTE entre le composant actif et les fils de Bonding . Cette couche d’épaisseur 100 µm est composée d’un matériau appelé « Invar », un alliage Fe-Ni, dont le CTE est proche de celui de la puce (Si ou SiC). L’Invar est placé sur la face avant de la puce via un joint de cuivre fritté. Puis, une couche de cuivre est déposée au-dessus de ce matériau. Les fils de bonding en cuivre sont ensuite connectés sur cette couche, En ce qui concerne le contact de la face arrière, un joint de cuivre fritté est utilisé entre la puce et le substrat DBC. Des essais de caractérisation électrique, thermique et d’analyse de vieillissement ont été menés sur des échantillons composés d’un module en demi-pont (150 A 1,2 kV) utilisant des diodes Schottky SiC. Selon les auteurs, la résistance thermique transitoire mesurée est réduite de plus de 10%. Cela est dû au fait que la zone (surface) de contact avec la face avant de la puce a été élargie grâce à la couche d’adaptation CTE, [24].
➢ Module Danfoss Bond Buffer@ (DBB@)
La compagnie Danfoss@ a développé un module de puissance référencé sous le nom de Danfoss Bond Buffer@ (DBB@), [25] et [26]. Le joint de brasure assurant le contact entre le substrat DBC et la face inférieure du composant actif a été remplacé par un joint d’argent fritté. L’élément clé innovant de la DBB@ est le frittage d’une fine feuille de cuivre sur la surface supérieure du composant. Des fils de bonding en cuivre sont ensuite déposés, Le DBB@ est dimensionné de façon à réduire au maximum les contraintes thermomécaniques causées par la non-homogénéité des CTE des différents matériaux. Les composants actifs utilisés dans ces assemblages possèdent une métallisation face avant avec finition NiAu ou NiAg.
Des travaux de caractérisation électrique, thermique et de fiabilité ont été menés dans [25] sur un module DBB@ intégrant des IGBTs et des diodes 1700 V. Les résultats obtenus étaient prometteurs, en effet la résistance thermique de l’assemblage Rth a été considérablement réduite par rapport à un module de puissance classique (0,34 K.W-1 ). Les essais de vieillissement montrent une durée de vie 20 fois plus grande que celle d’un module classique (Al bonding et brasure).
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
1 CHAPITRE. 1 ETAT DE L’ART
1 INTRODUCTION
2 MODULES DE PUISSANCE CLASSIQUES – INTERCONNEXION PAR FILS DE BONDING
2.1 Architecture des modules classiques
2.2 Modules classiques et fiabilité
2.3 Evolution des modules classiques vis-à-vis de la fiabilité
2.4 Conclusion et discussion sur les modules de puissance classiques
3 VERS UNE NOUVELLE TECHNOLOGIE DE MODULES DE PUISSANCE
3.1 Technologies sans fils de bonding
3.2 Intégration PCB avec matériaux d’interconnexion classiques
3.3 Intégration PCB avec de nouveaux matériaux d’interconnexion
4 CONCLUSION
2 CHAPITRE 2 TECHNOLOGIE D’INTEGRATION DE COMPOSANTS ACTIFS AU CŒUR DU PCB PAR MOUSSE METALLIQUE
1 INTRODUCTION
2 CARACTERISTIQUES DES MATERIAUX UTILISES DANS LES ASSEMBLAGES PROPOSES
2.1 Les mousses métalliques
2.2 Le substrat PCB
2.3 Couches de Prepreg
2.4 Composants actifs
3 PROCEDES D’INTEGRATION PROPOSES
3.1 Procédé d’intégration avec imprégnation de la résine dans la mousse (PCB#1)
3.2 Procédé d’intégration sans imprégnation de la résine dans la mousse (PCB#2)
4 CARACTÉRISATION DES MATÉRIAUX ET DE L’ASSEMBLAGE PCB#1
4.1 Techniques d’observations par rayons X (analyse tomographique)
4.2 Caractérisation thermique
4.3 Caractérisation mécanique
4.4 Caractérisation électrique
5 D’AUTRES ALTERNATIVES A LA MOUSSE METALLIQUE ?
6 CONCLUSION
CHAPITRE 3 CYCLAGE THERMIQUE PASSIF
1 INTRODUCTION
2 METHODOLOGIE DE VIEILLISSEMENT
2.1 Définition des profils thermiques
2.2 Critères de défaillances
2.3 Équipements de test utilisés
2.4 Équipements d’analyse et de suivi des défaillances
3 EXPERIMENTATION ET ANALYSE DES RESULTATS
3.1 Définition des assemblages utilisés durant cette étude
3.2 Essais menés et analyse des résultats
4 SIMULATION NUMERIQUE – MODELE 2D
4.1 Simulation des contraintes thermomécaniques dans l’assemblages PCB
4.2 Optimisation de l’assemblage : effet de l’épaisseur de la mousse sur les contraintes thermomécaniques
5 CONCLUSION
4 CHAPITRE 4 CYCLAGE THERMIQUE ACTIF
1 INTRODUCTION
2 SUIVI DE VIEILLISSEMENT
2.1 Paramètres de suivi de vieillissement
2.2 Mesure de la température de jonction
3 BANC DE TEST
3.1 Description du banc de test
3.2 Eléments constituants le banc d’essai
3.3 Validation des mesures indirectes de températures
4 CYCLAGE ACTIF DES ASSEMBLAGES PCB
4.1 Conditions de test
4.2 Analyses des résultats de vieillissement
5 CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
