Soutenance mémoire
Composants de puissance silicium
Les domaines d’application de l’électronique de puissance sont vastes, et mettent en jeu des niveaux de puissance couvrant plusieurs décades. Ils vont des chargeurs de batteries de quelques watts, aux installations industrielles de grande puissance. De nombreuses applications nécessitant des fréquences ou des tensions continues ou alternatives variables font appel à des convertisseurs statiques d’électronique de puissance (voir exemple en Figure 1-1). Un convertisseur statique électrique est un système hybride réunissant différents constituants relativement hétérogènes :
– Des “semi-conducteurs” de puissance avec des technologies et des constituants très différents (silicium, métaux, diélectriques,…).
– Des composants passifs servant au stockage d’énergie ou au filtrage (inductance et capacité).
– Un système de refroidissement pour évacuer la chaleur due à l’échauffement des composants de puissance (radiateur à air, ventilateur, barre à eau,…)
– La commande rapprochée des composants de puissance et la protection, composées de divers composants électroniques,…
Il est souvent intéressant de disposer de composants de puissance travaillant à haute fréquence (de quelques dizaines à plusieurs centaines de kHz) afin de réduire la taille des éléments passifs et par conséquent augmenter la compacité du convertisseur entier. Devant la gamme étendue des composants semi-conducteurs utilisés, nous avons illustré par la Figure 1-2 quelques domaines d’applications des différents composants de puissance en fonction de la plage de leur fréquence de commutation. Le niveau de puissance disponible s’étend de 100 W dans le domaine des micro-ondes, jusqu’à 100 MW aux plus basses fréquences. Les composants de puissance ont principalement des fonctions d’interrupteurs dans les systèmes de conversion de l’énergie électrique. Idéalement, ils doivent être capables de supporter des courants ou/et des tensions élevées, avec une vitesse de commutation rapide, et des pertes de puissance nulles. La Figure 1-3 présente l’évolution des calibres des courants directs et des tensions de blocage des composants silicium destinés aux applications de forte puissance. La plupart de ces composants sont en silicium. En effet, la maîtrise très poussée des étapes technologiques de leur fabrication dans la filière silicium est à l’origine de l’utilisation quasi-systématique de ce matériau. Cependant, les demandes de plus en plus exigeantes de certaines applications industrielles ainsi que les limitations physiques du Si ont encouragé la poursuite des recherches sur d’autres types de semi-conducteurs comme les composés III-V (GaAs, GaN…) ou le diamant et le carbure de silicium (SiC). Ces matériaux, du fait de propriétés physiques intrinsèques supérieures à celles du silicium, et à condition d’atteindre une maturité technologique comparable, peuvent effectivement constituer une réelle alternative dans certaines ‘niches’ d’applications, en permettant d’atteindre des performances jusque-là inaccessibles au silicium.
Structure interne d’un composant de puissance
Sauf pour le cas des composants de très forte puissance (thyristors, diodes, …), qui peuvent occuper la surface entière d’une plaquette de silicium, plusieurs puces sont réalisées de façon collective à partir d’une tranche de semi-conducteur, en utilisant les techniques de la micro-électronique, suivant une série d’étapes de fabrication dont les principales peuvent être (dans l’ordre chronologique) :
– la réalisation des différentes couches dopées (par épitaxie, ou implantation ionique)
– la réalisation de motifs d’alignement, de tranchées (par gravure humide ou par plasma)
– la réalisation des oxyde et métallisation de grille (oxydation, dépôt chimique ou évaporation)
– la réalisation des jonctions localisées (par implantation ionique)
– la réalisation de la passivation primaire (oxydation, dépôts chimiques, …)
– le dépôt des métallisations de contact ohmique
– la réalisation de la passivation secondaire (dépôts organiques)
La tranche de semi-conducteur est ensuite découpée pour fournir les puces rectangulaires correspondant à un composant unitaire. Chaque puce sera par la suite assemblée dans un boîtier individuel pour former un composant dit discret, ou sur un substrat isolant métallisé pour former, avec d’autres, un circuit hybride intégré dans un module. La Figure 1-6 montre l’exemple de deux puces de diodes et deux puces de transistors IGBT d’un module de puissance, brasées sur le même substrat céramique recouvert de cuivre (substrat DBC ‘Direct Bonded Copper’). Cette figure permet d’illustrer également la technique de connexion électrique des puces par fils métalliques. Sur la face supérieure du substrat isolant, la feuille de cuivre peut être gravée pour former des plages conductrices dissociées. Sur ces plages, peut être réalisé directement le brasage tendre des pastilles de silicium ainsi que les connexions de fils par bonding vers les connecteurs extérieurs. Sur l’autre face du substrat céramique, également recouverte d’une feuille de cuivre, cet assemblage est brasé sur une semelle en cuivre, voire en AlSiC, de plusieurs millimètres d’épaisseur. En effet, la dimension des puces de puissance est typiquement de 1 cm x 1 cm, que les pertes (sous forme de chaleur) sont générées [9]. Pour les évacuer, et compte tenu de la présence des connexions et de l’isolation électrique, on ne dispose généralement que de la face arrière de la puce (bien que certaines techniques utilisent le refroidissement double face). D’où l’importance d’avoir une semelle ayant une très bonne conductivité thermique comme le cuivre ou l’AlSiC. Les modules de puissance font donc intervenir un empilement de matériaux totalement différents soumis à des contraintes thermomécaniques, notamment à cause de la différence de leurs coefficients d’expansion thermique ce qui peut expliquer les problèmes de fatigue thermomécanique rencontrés dans ce type de technologie. Suivant le niveau de puissance, un certain nombre de ces cellules de base (DBCPuces-Bonding) est brasé sur cette semelle. Le boîtier est complété ensuite par un capot en plastique supportant les connexions extérieures, et par un gel silicone remplissant l’intérieur du module dont le rôle est d’une part d’assurer la tenue diélectrique du module, et d’autre part de préserver les composants semi-conducteurs des agressions externes [11].
Méthode de détermination de la quantité d’acide polyamique résiduel
Le degré d’imidisation peut affecter la stabilité des propriétés physiques des films polyimides pendant leur utilisation. Par conséquent, des techniques ont été développées pour mesurer la quantité des groupes résiduels d’acide polyamique. La méthode la plus couramment utilisée est la spectroscopie infrarouge. Elle permet de déterminer la nature des liaisons chimiques présentes dans le matériau analysé, à partir de leurs fréquences de vibrations caractéristiques, qui se situent dans le domaine infrarouge du spectre électromagnétique (typiquement de 400 à 4000 cm-1). Une présentation des modes de vibrations des molécules est donnée en Annexe D, et le principe de cette technique est rappelé au paragraphe III.2.4. (chapitre III). Les principales bandes d’absorption utilisées pour les analyses quantitatives et qualitatives du polyimide sont indiquées dans le Tableau 2-3. L’intensité des bandes d’absorption caractéristiques de l’imide augmente durant la cyclodéshydratation de l’acide polyamique. Une analyse infrarouge permet alors de suivre l’évolution de la réaction d’imidisation à l’aide de l’apparition progressive de ces bandes ‘imide’ et la disparition de celles correspondant aux groupes ‘amide’ présents dans l’acide polyamique résiduel. L’exemple donné dans la Figure 2-11 illustre l’évolution de l’intensité des pics d’absorption du polyimide PMDA-DDE en fonction du temps de recuit. L’intensité des bandes caractéristiques du polyimide (Imide II : 1720 cm -1 et Imide III : 1380 cm -1) augmente en fonction du temps du recuit, alors que celle de la bande des groupes amides (1660 cm-1) diminue.
Caractéristiques courant – tension
Les échantillons étudiés ici sont des couches minces de polyimide d’épaisseur égale à 1,3 µm. La structure MIM utilisée a été représentée dans la Figure 3-1. Les électrodes métalliques supérieures sont en aluminium et ont un diamètre de 5 mm. La gamme de champ E explorée s’étend de 50 kV/cm à 1,2 MV/cm, le fabricant spécifiant un champ de claquage du polyimide de 2 MV/cm [42]. La tension de polarisation est appliquée aux bornes des échantillons pendant une durée de 3600 secondes, et le courant de dépolarisation observé lors de la suppression de la tension est enregistré quant à lui pendant 1800 secondes. Ces temps peuvent être réduits à 1200, voire 600 secondes respectivement pour la phase de polarisation et de dépolarisation lorsque la variation du courant au-delà de ces temps est négligeable. Dans ces mesures, les courants peuvent atteindre des valeurs très faibles avoisinant les fluctuations du courant de bruit de l’électromètre, d’amplitude 0,1 pA. Nous avons représenté sur la Figure 3-16 les courants relevés sous ‘faibles’ champs de polarisation allant de 50 kV/cm à 400 kV/cm à température ambiante. Les courants de dépolarisation sont représentés dans la Figure 3-17. On peut remarquer la réversibilité de ces courants. L’orientation dipolaire est généralement le mécanisme le plus commun dans l’apparition d’un régime transitoire des courants pour les matériaux polaires, comme les polyimides. Le caractère polaire de ces matériaux est dû à un déséquilibre au niveau du partage de la charge électrique globale de chaque molécule conduisant à des extrémités de signe opposé. La réversibilité des courants d’absorption et de résorption, permet d’identifier l’origine dipolaire des courants transitoires mesurés. La contribution de l’orientation dipolaire dans le régime transitoire est vérifiée également en traçant la densité des courants isochrones à 10 secondes en fonction du champ électrique appliqué (Figure 3-18). Nous observons que pour des champs allant jusqu’à 400 kV/cm, la courbe J (E) est linéaire. Nous sommes donc bien en présence d’un mécanisme d’orientation dipolaire. En effet, seul ce mécanisme donne une variation linéaire des courants en fonction de la tension appliquée [75,83]. Cependant, cette réversibilité des courants de polarisation et de dépolarisation disparaît lorsque le champ électrique augmente. En effet, une forte dissymétrie est observée au-delà de 600 kV/cm et on observe un écart important entre les courants d’absorption et de résorption comme le montre la Figure 3-19 pour un champ appliqué de 800 kV/cm. Sous forts champs, d’autres phénomènes semblent donc venir se rajouter à l’orientation dipolaire entraînant ainsi un courant de polarisation relativement élevé, avec des densités de courant atteignant les 20 nA/cm² sous un champ de 1,2 MV/cm (Figure 3-20).
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre1: Famille et applications des composants de puissance
I-1. Composants de puissance silicium
I-2. Intérêt technologique du carbure de silicium
I-2-1. Propriétés physiques du SiC
I-2-2. Avantages du SiC en microélectronique
I-3. Structure interne des composants de puissance, et contraintes liées aux procédés de réalisation
I-3-1. Structure interne d’un composant de puissance
I-3-2. Détails sur les étapes de passivation et d’isolation de la puce
I-3-3. Détails sur les étapes de connexion électrique de la puce lors de son assemblage
I-4. Contraintes sur la passivation liées à l’usage de composants de puissance en SiC
I-4-1. Contrainte en champ électrique
I-4-2. Contrainte en température
I-5. Conclusion
Chapitre2: Les Polyimides
II-1. Synthèse des polyimides
II-1-1. Méthode de synthèse en deux étapes
II-1-2. Stabilité thermique des polyimides
II-2. Technologie des films polyimides
II-2-1. Dépôt à la tournette
II-2-2. Adhérence
II-2-3. Recuit d’imidisation
II-2-3-1. Méthode de détermination de la quantité d’acide polyamique résiduel
II-2-3-2. Résidus d’imidisation
II-2-4. Gravure
II-3. Propriétés requises des polyimides et relation avec leur structure
II-3-1. Isolation électrique
II-3-2. Les pertes diélectriques
II-3-3. Constante diélectrique
II-3-4. Coefficient d’expansion thermique
II-4. Conclusion
Chapitre3: Préparation des échantillons et résultats expérimentaux
III-1. Structures de test et méthode expérimentale
III-1-1. Structures de tests électriques
III-1-2. Etapes technologiques d’élaboration des structures MIM
III-2. Méthodes de caractérisations électriques et physico chimiques
III-2-1. Mesure du courant de conduction
III-2-2. Spectroscopie diélectrique
III-2-3. Tests de rigidité diélectrique
III-2-4. Analyses par spectroscopie infrarouge
III-3. Mesures et résultats
III-3-1. Caractéristiques courant – tension
III-3-2. Mesures des capacités et du facteur de pertes
III-3-3. Tests de claquage
III-4. Effet du traitement thermique sur les propriétés du polyimide
III-4-1. Cas des pertes diélectriques
III-4-2. Cas des courants de conduction
III-4-3. Cas du champ de rupture
III-5. Conclusion
Chapitre 4: Discussion des résultats de caractérisation électriques
IV-1. Mécanismes de conduction dans le polyimide
IV-1-1 Régimes de courants régis par le volume et par l’interface Métal/isolant
IV-1-2. Etude du régime de conduction contrôlée par l’interface métal/isolant
IV-1-3. Etude du régime de conduction contrôlée par le volume du polyimide
IV-2. Effet du traitement thermique sur la caractéristique courant-tension
IV-3. Effet de la réaction d’imidisation
IV-3-1. Rôle de l’acide polyamique résiduel
IV-3-2. Effet des résidus d’imidisation
IV-4. Conclusion
Conclusion générale
Annexes
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